Особенности работы и схема изнашевания поршневых колец и гильз цилиндров

Детали цилиндро-поршневой группы в отличие от остальных деталей двигателя (за исключением клапанов газораспределения) работают в наиболее тяжелых условиях, так как они непосредственно соприкасаются с горячими газами, образующимися при сгорании топлива. Важную роль в обеспечении нормальной работы цилиндро-поршневой группы играют поршневые кольца, которые вместе с гильзами цилиндров должны выполнять следующие задачи:

надежно уплотнять рабочее пространство цилиндров; интенсивно отводить тепло от поршней в систему охлаждения; снимать избыток масла с рабочих поверхностей цилиндров и равномерно распределять масляную пленку по трущимся поверхностям, не допуская проникновения масла в камеры сгорания.

Плотность сопряжения поршневых колец с зеркалом цилиндра обеспечивается прежде всего отсутствием просвета и необходимой упругостью колец. При хорошем состоянии колец, гильз и поршней и нормальных режимах работы двигателя разрушение масляного слоя и пленки окислов, появляющейся вследствие образования в процессе сгорания топлива различных кислот, происходит сравнительно медленно. Благодаря этому изнашивание перечисленных дегалей протекает умеренно.

В процессе изнашивания гильз цилиндров, поршневых колец и канавок поршней условия смазки их трущихся поверхностей резко ухудшаются. Это объясняется следующими причинами.

По мере изнашивания компрессионных колец по высоте (особенно верхнего) давление газов на них со стороны канавок поршней повышается, в связи с чем значительно возрастает сила прижатия колец к зеркалу цилиндра и как следствие этого разрушаются масляная пленка и пленка окислов. При этом наиболее значительно пленка разрушается (выгорает) в зоне верхнего компрессионного кольца при положении поршня в верхней мертвой точке (в. м. т.), где рабочие газы имеют наиболее высокую температуру. Значительные молекулярные силы взаимодействия между сопряженными поверхностями в зоне расположения верхнего компрессионного кольца вызывают усиленное изнашивание гильзы.

По мере удаления поршня от в. м. т. давление и температура газов быстро снижаются, обеспечивая нормальные условия смазки трущихся поверхностей, благодаря чему интенсивность изнашивания нижней зоны гильзы резко уменьшается. Зеркало цилиндра изнашивается неравномерно не только по длине, но и в поперечных сечениях. При этом наибольшая неравномерность износа наблюдается в зоне расположения верхнего компрессионного кольца, что объясняется главным образом неравномерностью нагрева и охлаждения рабочих поверхностей.

Интенсивное изнашивание верхнего компрессионного кольца сопровождается быстрой потерей его упругости (предварительного натяга). Вследствие неравномерного износа гильзы и недостаточной упругости кольца последнее начинает вибрировать, отрываясь от поверхности гильзы и тем самым пропуская газы ко второму компрессионному кольцу. Условия работы второго кольца становятся тяжелее, чем при удовлетворительном состоянии верхнего компрессионного кольца. Чрезмерный износ и потеря упругости второго кольца облегчают движение газов, прорывающихся через верхнее кольцо, что, в свою очередь, усиливает пропуск газов верхним кольцом и еще более затрудняет его работу. Следовательно, необходимо обеспечить нормальную работу не только верхнего, но и остальных компрессионных колец, не допуская перегрузки каждого из них вследствие плохой работы соседнего.

При чрезмерном износе гильз цилиндров и значительной потере упругости поршневых колец происходит отрыв колец от рабочей поверхности гильз, обусловливающий прорыв в картер большого количества газов и влекущий за собой усиленное старение картерного масла, т. е. ухудшение его физико-химических свойств. С другой стороны, вибрация маслосъемных колец, а также насосное действие компрессионных колец (в связи с износом их и канавок поршней по высоте) способствуют усиленному попаданию масла в камеру сгорания, что вызывает нагарообразование на днищах поршней и головке цилиндров и затрудняет отвод тепла через стенки цилиндров. Кроме того, ухудшение работы поршневых колец и связанный с этим прорыв в картер большого количества газов влекут за собой образование на кольцах лакоотложений и как следствие этого закоксовывание колец (пригорание их к поршням).

Чрезмерный прорыв рабочих газов в картер, усиленные лакоотло-жения на поршневых кольцах и нагарообразование на днищах поршней приводят к последствиям, могущим вызвать аварию, так как развивающиеся при этом вредные процессы все более усиливаются, оказывая взаимное влияние друг на друга и приобретая в конечном счете лавинный характер. Происходит усиленное изнашивание не только колец и гильз цилиндров, но также шеек и вкладышей коленчатого вала. Чтобы предотвратить отмеченные последствия, необходимо своевременно заменять поршневые кольца. Однако смена колец не всегда приводит к желаемым результатам. Во многих случаях в зависимости от состояния и характера износа деталей цилиндро-поршневой группы их заменяют комплектно.

Износ деталей цилиндро-поршневой группы влечет за собой потерю компрессии (уменьшение давления сжатия в цилиндрах). Компрессия прежде всего зависит от степени сжатия — отношения полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. По мере изнашивания гильз цилиндров, поршневых колец и поршней возрастает неплотность камер сгорания, влекущая за собой потерю компрессии. На величину компрессии существенное влияние оказывают частота вращения коленчатого вала, неплотности клапанов газораспределения и тепловой режим двигателя. Компрессия резко снижается при закоксовывании или поломке компрессионных колец. При поломке же маслосъемных колец она, наоборот, может повыситься. При прочих равных условиях компрессия в цилиндре зависит от суммарной неплотности камеры сгорания, которая в основном определяется техническим состоянием деталей цилиндро-поршневой группы и неплотностью клапанов газораспределения.