Проблемы при уплотнении и повреждения колец

Перекос поршня

Вследствие повреждений двигателя то и дело происходит скручивание и прогиб шатунов. Если при ремонте большая и маленькая головки шатуна не проверяются на параллельность или шатун не выпрямлен, то позже при эксплуатации происходит боковое смещение поршня в диаметре цилиндра (рис. 1). Поршневые кольца, как показано на рисунке 2, совершают не круговые движения в диаметре цилиндра, а принимают форму эллипсов, Вследствие этого возникают серьёзные проблемы, касающиеся уплотнения. Поршневые кольца прилегают на одной стороне цилиндра к нижнему краю, а на другой стороне к верхнему. Если кольцо ещё может вращаться в кольцевой канавке, оно в очень короткий срок станет выпуклым. Эта выпуклость значительно превосходит задуманную по конструкции,так что масляная плёнка будетзначительно толще и хорошее её удаление станет невозможным. Кроме того, из-за перекоса поршня на кольцах возникает насосный эффект, благодаря которому перекачивается слишком много масла в камеру сгорания.

Часто из-за перекоса поршневые кольца больше не могут вращаться и принимают форму эллипса. Вследствие этого, происходит неравномерный радиальный износ, что нередко приводит к разлому поршневых колец.

Рис. 1

Овальное отверстие

В цилиндрах с овальными отверстиями напряжение в поршневом кольце приводит к тому, что кольца совсем нет или только очень медленно притираются к стенке цилиндра и, таким образом, не выполняют свою предписанную функцию герметизации.

Заклинивание поршневого кольца и помехи при вращении

Проблемы, касающиеся уплотнения, часто возникают тогда, когда кольца у четырёхтактных ДВС не могут свободно передвигаться в кольцевых канавках. Повреждения поршней и цилиндров тогда уже запрограммированы (перегрев и задир поршня). Поршневые кольца с поперечным сечением в форме трапеции (смотри главу 1.3.1 Компрессионные поршневые кольца) из-за их формы не так восприимчивы к припеканию или блокированию в кольцевых канавках.

Рис. 1

Причины для блокирования кольца и различные способы его предотвращения

• Кольца не должны заедать в канавке в осевом направлении. Ровность поверхности поршневых колец должна быть гарантирована. В любом случае нужно избегать того, чтобы поршневые кольца в результате неправильного обращения с ними при надевании на поршень становились погнутыми (смотри главу 2.4.1 Монтаж и демонтаж поршневых колец).

• Кольцевая канавка должна подходить поршневому кольцу по размеру.

• Кольцевые канавки должны быть очищены от грязи и прочих отложений (рис. 1).

• Моторное масло должно иметь правильную спецификацию, установленную производителем двигателей. Неправильное масло является причиной нагарообразования и припекания колец в их канавках.

• Эксплуатация двигателя с растительными маслами и альтернативным топливом.

• Погнутые шатуны, и вместе с ними перекосы поршней во внутреннем отверстии цилиндра.

Грязь

Появление грязи в двигателе - это одна из самых частых причин для его быстрого износа, а также износа поршневых колец. Повреждения от грязи имеют две основные причины:

Рис. 2

Причина 1

Загрязнения проходят в камеру сгорания вместе со впускаемым воздухом. Это всегда происходит тогда, когда пренебрегается техническим осмотром воздушного фильтра, когда автомобиль передвигается без воздушного фильтра или же если система впуска негерметична, и грязь мимо воздушного фильтра попадает в камеру сгорания. Находящаяся в камере сгорания грязь попадает также в кольцевые канавки, где она, смешиваясь с имеющимся там маслом, образует абразивную пасту (рис. 2). Поршневые кольца стираются тогда по высоте, а кольцевые канавки расширяются (рис. 3). Износ, вызванный загрязнениями на поршневых кольцах, проявляется преимущественно в осевом направлении на боковых поверхностях кольца. В поперечном направлении (на рабочей поверхности) кольцо снашивается из-за возникающего полусухого трения тоже, однако, не настолько сильно, как на боковых поверхностях. Частым признаком загрязнения в кольцевых канавках являются следы на боковых поверхностях кольца, оставляемые при качении. При этом грязь, которая состоит преимущественно из мелкого песка, выцарапывает при вращении колец и перекосе поршня характерный рисунок на боковой поверхности кольца.

Так как кольца при работе прилегают, в основном, к нижней боковой поверхности канавки, износ появляется преимущественно на верхней боковой поверхности кольца. Там находятся также и следы, оставляемые при качении, рис. 1 и 2 (стр. 62).

Внимание

Повреждения от грязи за немногим исключением касаются в равной мере всех внутренних отверстий цилиндров - все внутренние отверстия цилиндров, которые делят между собой впускную трубу или впускную перемычку. У соседних внутренних диаметров цилиндров, которые снабжаются через одну и туже впускную трубу, повреждение от грязи только в одном диаметре цилиндра практически едва ли возможно. Это важное обстоятельство, которое должно быть принято во внимание при диагностировании повреждения. Если только отдельные диаметры цилиндров подверглись сильному износу и негерметичность впускной трубы исключена, тогда, вероятно, имеется избыток топлива в камере сгорания (смотри к этой теме главу 2.6.5 Избыток топлива в камере сгорания).

Причина 2

Из-за более раннего повреждения и/или плохо проведенного ремонта грязь находится еще в системе циркуляции масла. Тогда грязь начинает с кривошипной камеры совершать на стенках цилиндров и поршней своё разрушительное действие. С помощью циркуляции загрязненного масла частицы загрязнений попадают также на все опорные места в двигателе. Масло хотя и проходит через масляный фильтр, но часто система циркуляции масла не совсем хорошо чистится. Грязь, которая находится уже на очищенной стороне масляного цикла, попадает на опорные места и приводит к преждевременному износу или к повреждениям.

Часто при повреждении двигателя масляный фильтр настолько засоряется пылью, появившейся при истирании, что открывается клапан байпасного регулирования. Моторное масло попадаеттогда в неотфильтрованном виде к местам смазывания. Этот факт нужно принимать во внимание при конструкции двигателя, чтобы избежать капитальных повреждений двигателя по причине полной потери масла в подшипниках. Часто после повреждения двигателя в масляном радиаторе и его смазочных линиях находится ещё большое количество загрязнений. Поэтому это безответственно, подсоединять новый или отремонтированный двигатель к неочищенному масляному радиатору и сдавать его в эксплуатацию. Такие двигатели из-за повреждения подшипников не выдерживают часто даже испытательного пробега.

Рис. 2

Внимание

Если масляный радиатор из-за повреждения двигателя загрязняется, то часто чистка обещает мало успеха. В этом случае лучше использовать новый масляный радиатор, чтобы исключить риск повреждения, который появляется в результате применения старого.

Избыток топлива в камере сгорания

После повреждений от грязи, повреждения и износ из-за избытка топлива в камере сгорания являются второй частой причиной повреждения поршневых колец. При избытке топлива в камере сгорания масляная плёнка на стенке цилиндра настолько сильно повреждается, что поршневые кольца трут металлом о металл по стенке цилиндра и при этом очень быстро теряют радиальную толщину. Металлический контакт поршневых колец со стенкой цилиндра (рис. 4) может появляться только на короткое время и только в исключительных случаях (например, при запуске холодного двигателя) и недопустим в остальных режимахэксплуатации. Срок службы поршня, поршневых колец и внутреннего отверстия цилиндра значительно укорачивается. В нормальном состоянии скользящие друг по другу детали всегда разделены масляной плёнкой (рис. 3). При этом масляная плёнка должна быть толще чем неровности на поверхностях элементов скольжения.

При эксплуатации двигателя из-за сбоев процесса сгорания топливо часто скапливается и также конденсируется на стенке цилиндра. Масляная плёнка, при этом, разбавляется или смывается. Благодаря возникающему полусухому трению поршневые кольца полностью снашиваются уже через несколько тысяч километров. Мощность снижается и потребление масла двигателем увеличивается.

Полусухое трение ведёт к слишком сильному радиальному износу поршневых колец и наружней поверхности цилиндра. Его очень легко заметить на обоих рабочих поясках маслосъёмного поршневого кольца. На рисунке 1 можно увидеть новое и изношенное в результате смешанного трения маслосъёмные поршневые кольца. Оба рабочих пояска полностью стёрты. Двигатель, которому принадлежало кольцо, имел чрезмерный расход масла. Такого рода радиальный износ, который появляется не только на маслосъёмных поршневых кольцах, можно почти всегда зачислить на счёт избытка топлива в камере сгорания.

Особенно тогда, когда износ во всех поршнях не выражен равным образом, речь идёт об износе из-за полусухого трения при избытке топлива в камере сгорания. Такая ситуация случается очень даже часто и служит доказательством того, что кольца изношены вовсе не из-за предположительно плохого качества материала или неправильной обработки цилиндра. Это произошло бы тогда в равной мере со всеми поршнями и поршневыми кольцами, а не только с определёнными цилиндрами.

Износ из-за полусухого трения при избытке топлива в камере сгорания происходит как у бензиновых, так и дизельных двигателей.

У бензиновых двигателей (прежде всего, у более старых карбюраторных двигателей) частые поездки на короткие дистанции и перебои в зажигании являются основными причинами. Бензиновые двигатели нуждаются для начала работы и в период прогрева в намного большем количестве топлива чем в режиме работы. При частой езде на короткие дистанции при определённых обстоятельствах конденсированное и оставшееся на стенке цилиндра топливо не может испариться и смешивается с моторным маслом. Вследствие этого масло разбавляется, и по причине потери его вязкости появляется смешанное трение. У бензинового двигателя избыток топлива в камере сгорания появляется также из-за дефектных свечей зажигания или катушек зажигания, так как топливо не воспламеняется и не сгорает.

У дизельных двигателей впрыснутая масса топлива воспламеняется в камере сгорания в воздухе с высокой степенью сжатия. При недостаточной компрессии (плохое заполнение) или при плохом качестве топлива происходит задержка самовоспламенения, жидкое топливо сгорает не полностью и накапливается в камере сгорания.

Дальнейшими причинами для избытка топлива в камере сгорания у дизельного двигателя являются:

• Дефектные и неплотные впрыскивающие форсунки.

• Дефекттопливного насоса высокого давления (ТНВД) и ошибки при его регулировке.

• Неправильно проложенные и закрепленные топливопроводы высокого давления (колебания).

• Механические ошибки (удары поршня о головку блока цилиндров) из-за неправильного размера выступа поршня, вызванного чистовой обработкой уплотнительных поверхностей и применением прокладок головок цилиндров неправильной толщины.

• Плохое заполнение из-за засоренных воздушных фильтров.

• Плохое заполнение из-за дефектных или изношенных турбонагнетателей.

• Плохое заполнение из-за изношенных или сломанных поршневых колец.

• Плохое качество топлива(плохое самовоспламенение и неполное сгорание).

Внимание

Также при этом виде повреждения нужно делать различие, изношен ли только один определённый или все цилиндры. Для повреждений во всех цилиндрах скорее всего существует глобальная причина,такая, как плохое качество топлива или плохое заполнение. При повреждениях отдельных цилиндров виновниками чаще всего являются дефектные впрыскивающие форсунки, топливопроводы высокого давления, свечи зажигания или провода высокого напряжения.

Изломы

Изломы поршневых колец возникают либо из-за чрезмерного износа, из-за их вибрации, либо из-за допущенной при монтаже колец ошибки.

Изломы при работе поршневых колец не появляются без крайних условий эксплуатации. При надевании колец на поршень механическая нагрузка гораздо выше, чем во время ихэксплуатации. При натягивании на поршень поршневые кольца должны выдерживать намного большее напряжение при изгибе, чем при монтаже в цилиндр. Кольцо с дефектами в структуре или с браком материала ломалось бы уже при натягивании.

Если можно найти изломанные поршневые кольца непосредственно после ремонта поршней в двигателе, то в большинстве случаев они были повреждены или сломаны при неумелом монтаже поршня или в результате использования неправильных монтажных инструментов.

Кольца могут ломаться и после длительного срока эксплуатации. Это происходит, если радиальная или осевая толщина стенки по причине износа уже значительно уменьшилась. Чаще всего кольцо из-за слишком большого зазора по высоте начинает вибрировать и не может больше противостоять той нагрузке, которой оно подвержено. При этом, в большинстве случаев кольцо разламывается на много маленьких фрагментов.

Однако, у колец не должна обязательно уменьшится толщина материала, чтобы они разломались. Если в режиме эксплуатации происходят сбои процесса сгорания, то кольца по причине высокой нагрузки могут поломаться, даже если они не были изношены. Также непреднамеренное проникновение воды или масла в камеру сгорания может привести к разламыванию колец. Жидкости нельзя сжимать. Если объём жидкости превосходит объём камеры сгорания, то жидкость должна либо протиснуться мимо поршня, либо поршни или поршневые кольца ломаются. Шатун также может деформироваться, или же разрушается стенка цилиндра/гильза цилиндра.

Вибрация кольца

Кольца могут начать вибрировать, особенно в бензиновых двигателях при средней нагрузке и большом числе оборотов двигателя. Под понятием «вибрация» понимают здесь не только отделение поршневого кольца от нижней опорной боковой поверхности, но и потерю уплотняющей функции кольца по причине отсутствия радиального прилегания к стенке цилиндра (ослабевание). И то, и другое влечёт за собой потерю мощности и высокий расход масла, так как кольца либо уплотняют плохо, либо вообще не уплотняют.

Осевая вибрация кольца начинается в большинстве случаев уже у самого стыка. Стыковые концы кольца из-за своего открытого положения склонны особенно к тому, чтобы при неблагоприятных условиях эксплуатации отделиться от нижней опорной поверхности. Вибрирующие стыковые концы передают тогда колебание в виде волн на всё поршневое кольцо.

Внимание

Благодаря меньшим силам инерции кольца небольшой высоты меньше подвержены ны вибрации. Более высокое давление прижима на стыковых концах противодействует склонности к вибрации.

Причинами для осевой вибрации поршневого кольца являются:

• Слишком большой зазор кольца по высоте.

• Потеря упругости кольца (износ) и, вместе с тем, плохое прижатие на стыковых концах, особенно у поршневых колец с грушевидным распределением радиального давления (смотри также главу 1.6.2 Распределение радиального давления).

• Механический контакт поршня с головкой блока цилиндров по причинедопущенных ошибок при ремонте, особенноудизельныхдвигателей (рис. 2).

• Детонационное сгорание из-за неисправности устройства управления двигателем (смесеобразование, зажигание) и по причине недостаточного качества топлива (слишком низкое октановое число, примеси дизельного топлива).

• Изношенные канавки для поршневых колец.

• Слишком маленький объём горючей смеси на дне канавки из-за отложений в ней масляного нагара (причина: слишком высокая температура сгорания) и/или из-за неудовлетворительного качества моторного масла.

Радиальная вибрация поршневого кольца

Из-за нарушенного соотношения сил (увеличение давления газа на рабочую поверхности кольца) поршневое кольцо может отделиться от поверхности цилиндра и больше не уплотнять, рис. 2 и рис. 1 (стр. 68).

Причинами для этого являются:

• Изношенные поршневые кольца (уменьшение радиальной толщины стенок) и с этим связанная потеря усилия прижима поршневого кольца на стенке цилиндра, а также пониженная жёсткость кольца.

• Некруглые диаметры цилиндра и с этим связанное усиленное проникновение давления сгорания в щель между рабочей поверхностью поршневого кольца и кольцевым зазором.

• Перекос поршня по причине погнутых шатунов. Из-за перемещения под наклоном в пределах внутреннего отверстия цилиндра кольцо описывает несколько овальную траекторию. Таким образом, на одной стороне цилиндра, там, где поршень прилегает менее плотно, проникает больше отработавшего газа в область жарового пояса и между поршневым кольцом и стенкой цилиндра.

Рис. 2

Рис. 1

• Имеющийся на рабочей поверхности поршневого кольца чрезмерный износ выпуклой формы из-за слишком большого зазора кольца по высоте,

• Поврежденные кромки кольца, которые возникли из-за неправильного хонингования (образование металлической оболочки). Кольцо растрескано на краях и имеет подобие бахромы

(в основном это происходит с простыми литыми кольцами, не имеющих покрытия рабочей поверхности), газ проникает в щели и поднимает поршневое кольцо с рабочей поверхности.