Поршневые кольца

Поршневые кольца

Поршневое кольцо по мере перемещения вверх и вниз по стенкам цилиндра должно работать по принципу подшипника, но при этом оно должно обеспечивать герметичность камеры сгорания, чтобы предотвратить прохождение газов через поршни в картер. В большинстве двигателей используются три поршневых кольца, но в некоторых двигателях с низким давлением наддува и высокой частотой вращения используются только два поршневых кольца.

Первое (или верхнее) поршневое кольцо называют компрессионным. Его задачей является сохранение давления горения, чтобы получить максимальную мощность. Это поршневое кольцо также призвано отводить большую часть тепла днища поршня (около 80%) к стенкам цилиндра.

Второе компрессионное кольцо должно обеспечивать поддержку первого компрессионного кольца относительно создания герметичности. Однако его основной функцией является поддержка верхнего поршневого кольца посредством обеспечения другого пути передачи тепла от днища поршня к стенке цилиндра. Также второе компрессионное кольцо помогает маслосъемному кольцу удалять излишки масла со стенок цилиндра.

Нижнее поршневое кольцо называют маслосъемным. Оно предназначено для удаления масла со стенок цилиндра, но оно также должно оставлять на них достаточное количество масла для смазки верхних поршневых колец и помогать обеспечивать герметичность.

Как указано в таблице 19.2, маслосъемные кольца являются деталями двигателя, которые подвержены трению больше всего, а, как мы уже знаем, чем больше трение, тем меньше мощности. Поэтому многие производители создают маслосъемные кольца с тремя степенями натяжения. Поршневые кольца со стандартным натяжением чаще всего устанавливаются на заводские автомобили, предназначенные для использования вусловиях городского движения, но в наше время поршневые кольца с низким натяжением также устанавливаются на некоторые серийные автомобили и, конечно же, на многие гоночные автомобили, так как они обычно обеспечивают отличную регулировку смазки (практически так же, как и стандартные поршневые кольца), при этом паразитная мощность значительно снижается. Маслосъемные кольца с высоким натяжением используются крайне редко, но они могут понадобиться в некоторых двигателях, работающих на высокой частоте вращения, если отношение длины шатуна/хода поршня будет слишком маленьким.

Таблица 19.2. Сравнение функций и трения поршневых колец

^*Верхнее и второе компрессионные кольца обеспечивают такой высокий уровень регулировки смазки, только когда маслосъемное кольцо изношено или заедает.

Необходимо учитывать, что в большинстве двигателей с наддувом компонент, который будет подвергаться наиболее интенсивному износу, – это поршень. Мы можем облегчить участь поршней не только путем соблюдения всех условий посадки и всех необходимых зазоров, но и путем их охлаждения. Есть четыре участка, которые стоит рассмотреть, чтобы добиться этого, но с единственным исключением: решение этой проблемы связано с поршневыми кольцами.

Непосредственно в начале данной главы мы рассматривали вопрос, почему поршни в двигателях с наддувом получают столько тепла. Теперь нам необходимо найти решение, которое поможет снизить температуру днища поршня, иначе очень скоро он размягчится. И хотя серия масляных распылителей, установленных в масляной галерее, впрыскивает масло непосредственно на днище поршня, мы должны понять, что это лишь частично решает проблему.

Размещение поршневых колец

Прежде всего нам необходимо проверить размещение поршневых колец на поршне. Как показано на рис. 19.6, мы должны переместить поршневые кольца вниз по поршню и увеличить перемычку между первым компрессионным кольцом. Это означает, что верхнее компрессионное кольцо должно располагаться на расстоянии 8,0–9,5 мм от днища поршня, а второе компрессионное кольцо – на расстоянии 6мм от первого компрессионного кольца, при этом маслосъемное поршневое кольцо будет расположено еще на 2,5–3,0 мм ниже. Все это мы делаем потому, что, перемещая поршневые кольца дальше от днища поршня, мы устанавливаем кольца в участке, где температура поршня будет ниже, следовательно, поршень здесь будет прочнее и будет способен должным образом поддерживать верхнее компрессионное кольцо, которое подвергается воздействию очень высокого давления.

Рис. 19.6. Расположение поршневых колец критически важно для двигателей с наддувом с высокими техническими характеристиками.

Материал под верхним компрессионным кольцом может деформироваться либо потому, что он размягчился, так как расположен слишком близко кверхней части поршня с наиболее высокой температурой, либо потому, что он слабый, так как материал недостаточно плотный, чтобы сопротивляться деформации. Если это произошло, начнется цепная реакция. Вначале верхнее компрессионное кольцо наклонится под углом по отношению к стенке цилиндра. Это погранично сократит эффективность герметичности между кольцом и стенкой цилиндра, но более важным будет то, что теплоотдача от днища поршня через верхнее компрессионное кольцо станет меньше. Так как больше тепла будет сохраняться впоршне с каждым циклом горения, температура поршня будет постоянно возрастать, что приведет к его размягчению.

В некоторых случаях материал под верхним компрессионным кольцом будет деформироваться и зажимать второе компрессионное кольцо вканавке. В этой ситуации второе компрессионное кольцо не сможет обеспечивать поддержку верхнего компрессионного кольца в отводе тепла поршня. Следовательно, поршень заклинит или он будет поврежден. Перегретый поршень также будет увеличивать температуру впускного заряда, что приведет к возникновению детонации и повреждению двигателя.

Герметичность поршневых колец

Теперь давайте посмотрим на рис. 19.7 и узнаем, что происходит, когда компрессионные кольца не герметизируют камеру сгорания. Многие считают, что именно радиальное натяжение удерживает поршневое кольцо около стенки цилиндра. Конечно же, радиальное натяжение помогает, но на самом деле давление газа в задней части поршневого кольца прижимает его поверхность к стенке цилиндра.

Рис. 19.7. На иллюстрации показано только верхнее поршневое кольцо, чтобы продемонстрировать, как давление горения позади поршневого кольца прижимает его к стенке цилиндра, чтобы обеспечить необходимую герметичность. Когда масса кольца заставляет его перемещаться в канавке, давление газа не может прижимать его к стенке цилиндра.

Пагубные последствия может иметь ситуация, возможная в двигателе, работающем при высокой частоте вращения, и снижающая герметичность, а именно вибрация поршневого кольца. Когда поршень приближается к верхней мертвой точке, шатун замедляет его движение, но поршневые кольца пытаются продолжать движение, и, если их масса достаточная, каждое из них потеряет контакт с нижней частью канавки и ударится оверхнюю часть канавки. В таком случае давление газа в камере сгорания не сможет воздействовать на обратную сторону кольца и прижимать его к стенке цилиндра. Газ под давлением, который мог остаться позади поршневого кольца, попадет достаточно быстро в картер, а давление горения приведет к внутренним повреждениям поршневого кольца. Сразу же после этого поршневое кольцо отсоединится от стенки цилиндра, и в картер попадут газы из камеры сгорания.

Радиальное натяжение не сможет предотвратить прорыв газов, вызванный вибрацией поршневого кольца. Однако определенная степень радиального натяжения необходима для обеспечения соответствующей герметичности, в противном случае давление в задней части поршневого кольца будет равно давлению, стремящемуся отсоединить поршневое кольцо от стенки цилиндра. Это приведет к прорыву газов, что и происходит, когда поршневые кольца используются довольно давно и уже утратили необходимое натяжение.

Вибрация поршневого кольца становится причиной прорыва газов, но также это может привести к повреждению двигателя. Когда поршневое кольцо теряет контакт со стенкой цилиндра, оно не может передавать тепло от поршня к рубашке охлаждения. Как мы уже говорили, в результате мы получим расплавленные поршни или детонацию в цилиндрах.

Ширина поршневых колец

Чем уже поршневое кольцо при заданной радиальной глубине, тем выше частота вращения, при которой начнется вибрация поршневого кольца. Именно поэтому многие любители тюнинга стали считать, что необходимо использовать очень узкие поршневые кольца во всех гоночных двигателях. Однако узкие поршневые кольца имеют один важный недостаток: как уже говорилось, компрессионные кольца являются основным путем отвода тепла для поршней. Уменьшение ширины поршневого кольца замедлит теплоотдачу, поэтому поршень может перегреться и стать менее прочным. Перемычка верхнего компрессионного кольца может деформироваться, что приведет к снижению мощности или, что еще хуже, красплавлению поршня.

Еще одним отрицательным аспектом при использовании узких поршневых колец является их слишком короткий срок эксплуатации. Это, скорее всего, не будет проблемой в автомобилях, предназначенных для спринтерских гонок, если у вас есть средства и время, чтобы регулярно заменять поршневые кольца. Однако при участии в гонках на выносливость быстрый износ верхнего компрессионного кольца может стать причиной серьезного падения мощности до завершения гонки. Следовательно, я рекомендую не прибегать к использованию узких поршневых колец, кроме случаев, когда это абсолютно необходимо.

В большинстве гоночных двигателей и двигателей с высокими техническими характеристиками, работающих при частоте вращения более 8000 об/мин, я рекомендую использовать верхнее и второе компрессионные кольца шириной до 1,5мм. В двигателях с рабочей частотой вращения до 9500 об/мин верхнее компрессионное кольцо может иметь ширину до 1,2 мм, а второе – до 1,5 мм. При частоте вращения выше 10500 об/мин яобычно использую верхнее компрессионное кольцо толщиной до 1 мм и второе компрессионное кольцо толщиной до 1,2 мм.

Газовые каналы в поршне

Кроме снижения веса поршневого кольца посредством его сужения существует еще один способ избежать вибрации поршневого кольца вгоночных двигателях. Создание нескольких боковых газовых каналов над верхним компрессионным кольцом поможет поддерживать давление газа за поршневым кольцом, даже если кольцо начнет перемещаться по мере движения поршня после верхней мертвой точки. На самом деле эти газовые каналы помогают обычному поршневому кольцу работать по принципу поршневого кольца типа Dukes с L-образным сечением, обеспечивая постоянно открытый путь для газа под давлением позади поршневого кольца, таким образом прижимая его к стенке цилиндра (рис. 19.8).

Рис. 19.8. Поршневые кольца типа Dukes обеспечивают постоянно открытый путь для газов под давлением позади поршневого кольца, помогая прижимать его к стенке цилиндра.

Раньше конструкторы автомобилей для дрэг-гонок обычно просверливали большое количество газовых каналов от днища поршня к задней части канавки поршневого кольца. К сожалению, подобные действия увеличивали температуру поршня и поршневого кольца, поэтому срок службы этих компонентов значительно сокращался. Боковые газовые каналы не столь агрессивны. И даже в таком случае я рекомендую использовать сверло диаметром не более 2мм для высверливания полукруглых каналов до полной глубины поршневой канавки. Количество этих каналов будет варьироваться в зависимости от диаметра поршня. Если диаметр поршня не превышает 83 мм, допустимое количество каналов – 6, при использовании поршней диаметром до 93 мм это число увеличится до 7, а при диаметре до 105 и 115 мм мы можем использовать до 8 и 9 каналов соответственно.

Подъем поршневого кольца

Это подводит нас к другой проблеме, которую многие любители тюнинга недооценивают. Так же, как поршневое кольцо перемещается вверх, когда поршень быстро изменяет направление движения после верхней мертвой точки, оно может перемещаться под воздействием давления, которое накапливается между верхним и вторым компрессионными кольцами. В таком случае газы, проходящие через поверхность верхнего компрессионного кольца и через замок между краями верхнего компрессионного кольца, могут не пройти через второе компрессионное кольцо вкартер настолько быстро, насколько быстро накапливается газ в этом участке. Это давление будет воздействовать в обратном направлении давлению горения, которое прижимает поршневое кольцо к нижней части канавки, чтобы обеспечить необходимую герметичность. Следовательно, поршневое кольцо теряет контакт с нижней поверхностью поршневой канавки, а давление горения проходит через верхнее компрессионное кольцо. Это в свою очередь снижает объем и давление газа, который находится между двумя поршневыми кольцами, еще больше снижая эффективную герметичность между нижней поверхностью верхнего компрессионного кольца и нижней поверхностью поршневой канавки.

Конечно же, подобная ситуация приведет к снижению мощности, так как давление газа, которое должно приводить в действие коленвал, будет просто уходить в поддон картера. Однако это еще не конец истории. Газ, проходящий через верхнее компрессионное кольцо, затем отдает часть тепла нижней части поршня. Так как теперь эта часть поршня будет иметь более высокую температуру, он не сможет работать в качестве теплоотвода, чтобы понижать температуру верхней части поршня. И даже более значимым является тот факт, что верхнее компрессионное кольцо и поршень не будут иметь необходимый контакт в течение некоторого промежутка времени, а поскольку это первый путь теплоотдачи для поршня, он будет перегреваться и в крайнем случае может быть поврежден. Но до того, как это произойдет, мощность значительно сократится, так как горячий поршень будет увеличивать температуру впускного заряда, и, чтобы предотвратить детонацию, придется уменьшить давление наддува иугол опережения зажигания.

Есть два варианта, которые мы можем использовать, чтобы предотвратить подъем верхнего компрессионного кольца под воздействием газа под давлением. Прежде всего необходимо обеспечить достаточный зазор в замке второго компрессионного кольца. Многие волнуются из-за того, что газ под давлением будет попадать в поддон картера через зазоры в замках поршневых колец. Поэтому мы и старались уменьшить зазоры в замках поршневых колец, но необходимо учитывать, что в данном случае есть предел. В двигателе с нагнетателем и плотными прочными стенками цилиндров зазор в замке поршневого кольца должен быть как минимум таким же, как и в верхнем компрессионном кольце. А если цилиндры склонны к упругой деформации, зазор в замке второго компрессионного кольца должен быть больше.

Мы также можем увеличить расстояние между двумя поршневыми кольцами, чтобы обеспечить больше свободного места для газа. В двигателях снагнетателями объем в любом случае будет больше, так как мы будем использовать более плотные поршневые канавки, но кроме этого мы можем выточить в перемычке между поршневыми канавками балансирующую газовую канавку. Эта канавка может показаться незначительной модификацией, но это значительно увеличит объем на данном участке и таким образом уменьшит тенденцию к накоплению давления и подъему поршневого кольца.

Мы ни в коем случае не хотим, чтобы давление над и под верхним компрессионным кольцом было одинаковым. В таком случае прижиматься книжней части канавки поршневое кольцо будет только под воздействием собственного веса, а этого недостаточно. В действительности частично по этой причине, когда мы увеличиваем разрежение в картере, мощность возрастает. Об этом более подробно мы поговорим в следующей главе, но, в общем, мы обнаружим, что, если давление в картере будет ниже нуля, что достигается посредством удаления картерных газов, мощность возрастет.

Даже хотя двигатели в гонках «Формула-1» работают только с одним поршневым кольцом, все равно используется балансирующая канавка под верхним компрессионным кольцом, чтобы предотвратить подъем поршневого кольца. Обратите внимание на сливные масляные отверстия под нижним маслосъемным диском, которые используются, чтобы улучшить регулировку подачи масла и сократить паразитную мощность.

Частично это увеличение происходит благодаря снижению трения. В условиях низкого давления нам не придется использовать пару литров масла для коленвала или распылять их в картере, чтобы предотвратить повреждение нижних головок шатуна и коленвала. Также разрежение буквально вытягивает масло из цилиндров. Поэтому поршни и маслосъемные кольца будут тратить меньше мощности на извлечение масла из отверстий. Так как маслосъемные диски будут подвержены меньшей нагрузке, мы можем уменьшить натяжение кольца и еще больше сократить паразитную мощность.

Увеличить мощность можно также за счет увеличения разницы в давлении под и над поршневым кольцом, увеличивая эффективность герметичности между поверхностью поршневого кольца и цилиндром, а также между нижней частью поршневой канавки и нижним краем кольца. Более эффективная герметичность также увеличивает давление на коленвал и обеспечивает оптимальную теплоотдачу от поршня к рубашке охлаждения.

Поршневые кольца с нулевым зазором в замке

На данном этапе многие читатели могут спросить себя, насколько можно быть уверенным в той информации, которая приведена выше, когда некоторые конструкторы гоночных автомобилей используют вторые компрессионные кольца с нулевым зазором, так как они положительно влияют на мощность двигателя. Конечно же, при нулевом зазоре в замке второго компрессионного кольца возможность прорыва картерных газов будет ограничена, что заставит верхнее компрессионное кольцо подниматься. Однако, по-моему, основным преимуществом вторых компрессионных колец с нулевым зазором является скорее то, как они помогают двигателям работать с чрезвычайно обогащенной топливовоздушной смесью. Чрезмерно обогащенная топливовоздушная смесь может использоваться для внутреннего охлаждения двигателя или быть результатом использования кустарных систем впрыска топлива, которые приходится использовать согласно правилам гоночных соревнований.

Если двигатель работает на обогащенном метаноле или нитро, смазка в цилиндрах будет весьма посредственной. Кроме того, большие количества топлива могут попадать через поршневые кольца в поддон картера, разжижая моторное масло, что может стать причиной повреждения подшипников нижней головки шатуна и кулачков/толкателей клапанов. При установке второго компрессионного кольца с нулевым зазором поток топлива не сможет проходить через поршневое кольцо. Приработка поршней и поршневых колец будет происходить намного эффективнее, при этом будет обеспечиваться оптимальная герметичность. Также, так как моторное масло не будет разжижаться до такой степени, двигатель будет развивать большую мощность после нескольких часов работы, чем двигатель с обычными поршневыми кольцами, так как кулачки распредвала будут ближе к своей новой форме, а подшипники двигателя будут работать намного эффективнее. Помимо снижения потери мощности хорошее состояние подшипников также помогает подавить крутильные колебания коленвала, а это в свою очередь повышает точность газораспределительного механизма и угла опережения зажигания.

Следовательно, хотя на первый взгляд может показаться, что поршневые кольца с нулевым зазором обладают рядом преимуществ, это не совсем так. Кроме тех случаев, которые я описал выше, то есть применения обогащенной спиртовой смеси или закиси азота, использование подобных поршневых колец не рекомендуется.

Зазор в замке поршневого кольца

Это ни в коем случае не означает, что мы можем просто развернуть новый комплект поршневых колец и установить их на поршни, предварительно не проверив зазор в замках поршневых колец. На самом деле все наоборот: необходимо очень осторожно установить поршневое кольцо равномерно в соответствующую канавку, а затем измерить зазор в замке, при необходимости увеличив его, сточив края поршневых колец. Минимальный зазор на 1 мм диаметра гильзы цилиндра в турбированном двигателе или двигателе с нагнетателем составляет 0,15 мм. Эта формула подходит также для двигателей с впрыском закиси азота в незначительных количествах, но в гоночных автомобилях с системами впрыска закиси азота это значение увеличится до 0,17 мм на 1 мм диаметра гильзы цилиндра. Зазор в маслосъемных дисках должен составлять по крайней мере 0,1 мм на 1 мм диаметра гильзы цилиндра, но ничего плохого не произойдет, если значение будет немного больше.

Некоторые могут поставить под сомнение необходимость в таких больших зазорах в замках поршневых колец, но позвольте уверить вас, что, когда двигатель работает на полной мощности, зазор в замке верхнего компрессионного кольца будет составлять примерно 50% от этого значения вследствие увеличения температуры. Если двигатель прогреется до температуры, способной вызвать детонацию, зазор в замке может стать критически малым. Вы можете проверить, достаточным ли будет зазор в замке поршневого кольца, единственным способом – проверив старые поршневые кольца. Если края поршневых колец отполированы, значит, они соприкасались, следовательно, необходимо увеличить зазор в замках на 0,05 мм. В противном случае поршневые кольца могут быть повреждены, при этом они поцарапают гильзы цилиндров и поршни.

На практике в большинстве случаев прорыв газов происходит вследствие деформации гильзы цилиндров и утечки сквозь поверхность поршневых колец, а не через зазоры в замках. Также учтите, что, как только при прохождении через зазор в замке поршневого кольца будет достигнута скорость звука, объем потока не будет увеличиваться с увеличением давления горения или давления наддува. Поэтому, если мы стремимся улучшить технические характеристики двигателя, утечка через замки поршневых колец не увеличится. Общий объем утечек, конечно же, возрастет, но это будет происходить из-за повышенной деформации гильз цилиндров и утечки сквозь поверхность поршневого кольца.

На основании более высоких значений проверки на наличие утечек многие будут утверждать, что вторые компрессионные кольца с нулевым зазором и поршневые кольца с маленьким зазором в замке помогут сократить утечки, следовательно, обеспечат Подъем поршневого кольца. Но, поверьте, на самом деле, что бы вам ни говорили, теоретически никакой связи между низкими значениями утечек и увеличением мощности нет.

Зазор между канавками

В наше время поршневые кольца довольно редко ломаются, а даже если это происходит, причиной чаще всего является износ поршневых канавок, что позволяет кольцам смещаться и ломаться, или излишний скос канавки, что приводит к радиальной вибрации и последующему повреждению поршневых колец. Если новые поршневые кольца установлены в изношенную гильзу цилиндра, в верхней части которого есть наплыв, новые кольца могут быть повреждены, ударяясь о наплыв. Слишком большой зазор между гильзой цилиндра и поршнем может также стать причиной повреждения поршневого кольца, так как поршень будет раскачивать и скручивать кольца при прохождении верхней мертвой точки.

В общем, в гоночном двигателе зазор в канавке поршневого кольца должен быть очень маленьким – от 0,025 до 0,038 мм. Боковой зазор между поршневым кольцом и канавкой не должен превышать 0,05 мм. В двигателе автомобиля, предназначенного для использования в условиях городского движения, в идеале зазор в канавке должен быть таким же, как и в гоночном двигателе, но допустимо значение до 0,09 мм (рис. 19.9).

Рис. 19.9. Перед установкой поршневого кольца задний зазор и зазор в канавке обязательно нужно проверить. Если вы устанавливаете использовавшиеся ранее поршни, в канавке может скопиться нагар, что приведет к защемлению и повреждению поршневого кольца. Чрезмерно изношенные канавки позволяют поршневым кольцам проворачиваться и смещаться, поэтому создать необходимую герметичность не удается, к тому же поршневые кольца также могут быть повреждены.

Конструкция и материалы, из которых изготавливают поршневые кольца

Раньше компрессионные кольца изготавливались из серого чугуна, возможно, с добавлением хрома или молибдена. Однако сейчас большая часть высококачественных верхних компрессионных колец изготавливается из чугуна с шаровидным графитом с добавлением молибдена, который является более прочным и термостойким, к тому же он менее склонен к растрескиванию под воздействием детонации, чем серый чугун.

В качестве верхнего компрессионного кольца я предпочитаю использовать кольцо из чугуна с шаровидным графитом с добавлением молибдена компании Sealed Power/Speed Pro. Чугун с шаровидным графитом практически в три раза прочнее, чем обычный серый чугун. И он скорее ковкий, чем хрупкий, поэтому его можно согнуть, не повредив. Молибден принадлежит к той же группе химических элементов, что и хром, однако у него более низкий коэффициент трения и высокая сопротивляемость истиранию. Его теплопроводность в несколько раз выше, чем у чистого чугуна или чугуна с добавлением хрома, к тому же его пористая структура прекрасно подходит для хранения масла, что значительно снижает истирание иизнос цилиндра.

В качестве маслосъемного кольца я предпочитаю использовать поршневое кольцо с обратным прижимом, состоящее из нескольких компонентов. Оно помогает свести к минимуму потери вследствие трения, в то же время обеспечивая необходимое удаление масла. Поэтому для гоночных двигателей необходимо использовать только маслосъемные кольца с низким натяжением. Отлично подойдут маслосъемные кольца компании Sealed Power/Speed Pro.

Что касается маслосъемных колец, раньше предпочитали использовать очень узкие маслосъемные кольца из трех компонентов. Что удивительно, никто не пытался создать зазор между этими компонентами, чтобы переместить поршневой палец выше. И поэтому возникает вопрос: зачем использовать узкие маслосъемные кольца? Если свободного пространства между поршневым кольцом и верхней частью поршня достаточно, я предпочитаю использовать маслосъемное кольцо высотой 4 мм. Подобная широкая канавка позволяет сделать четыре полноразмерных возвратных масляных отверстия с обеих сторон поршня. Вместе с юбкой поршня с квадратным сечением, чтобы удалять масло со стенок цилиндра, подобная система возврата масла обеспечивает отличную герметичность верхнего компрессионного кольца, предотвращая эффект гидропланирования по пленке масла. Отличная герметичность верхнего маслосъемного кольца положительно сказывается на мощности и не допускает избыточное количество масла в камеру сгорания, к тому же это снижает риск возникновения детонации. Только в некоторых случаях я буду использовать маслосъемное кольцо высотой 3мм, при этом я буду использовать большие масляные возвратные отверстия, которые будут выступать за пределы нижней части маслосъемного кольца примерно на 1,2 мм, чтобы сливать масло под маслосъемным диском.

Как устанавливать поршневые кольца

При установке поршневых колец необходимо быть предельно осторожным, чтобы избежать неправильной установки и предотвратить повреждения, которые могут из-за этого возникнуть. Компрессионное кольцо может быть скручено, если вы установите один край в канавку, азатем будете постепенно проворачивать его, пока оно не станет на место. Вместо этого поршневое кольцо необходимо расширить в достаточной мере, чтобы установить на поршень, а затем дать ему сесть в канавку. В свободной продаже можно найти специальные приспособления для расширения поршневых колец, но я предпочитаю использовать два плоских щупа толщиной 0,4 мм, установив их между поршнем и кольцом. Щупы обеспечивают опорную поверхность и предотвращают повреждение поршня и образование канавок.

Поршневые кольца с коническим сечением имеют установочную метку «TOP» в верхней части. Их необходимо устанавливать этой стороной вверх, таким образом, в нижней части кольца диаметр будет больше (рис. 19.10).

Рис. 19.10. Поршневые кольца необходимо устанавливать должным образом, чтобы обеспечить необходимое уплотнение и регулировать подачу масла.

Поршневое кольцо со скручивающимся сечением устанавливается скошенным краем вверх. Это создает небольшое углубление на поверхности иобеспечивает те же характеристики, что и у поршневого кольца с коническим сечением, так как нижний край кольца соприкасается со стенкой цилиндра под высоким давлением. Со временем кольца с коническим сечением подвергаются износу, чего не скажешь о кольцах со скручивающимся сечением.

Я всегда старался должным образом расположить края поршневых колец, чтобы сократить утечку газов и масла через зазор в замке, хотя некоторые утверждают, что в гоночных двигателях это не обязательно. Было доказано, что поршневое кольцо вращается относительно коленвала впропорции 1:1000. Другими словами, в двигателе, работающем с частотой вращения 7000 об/мин, компрессионные кольца будут вращаться счастотой 7 об/мин, следовательно, устранять зазоры совсем не обязательно. Однако я все равно слежу за тем, чтобы замки поршневых колец располагались под углом 180°, а маслосъемные диски по крайней мере под углом 90°.

Прежде чем устанавливать поршни в двигатель, окуните каждый из них в моторное масло и смажьте стенки каждого цилиндра. Некоторые предпочитают добавлять в масло присадки, например STP, некоторые даже используют чистую присадку STP, покрывая ею стенки цилиндров ипоршни. Но это неправильно. Поршневые кольца не должны соприкасаться с подобными присадками, так как это может привести к остеклению их поверхности.

Выемка около края поршневого кольца указывает на то, что эта сторона должна быть направлена вверх.

Приработка поршневых колец

Первоначальная приработка поршневых колец достигается после того, как дроссельная заслонка будет полностью открыта в течение нескольких секунд, а затем резко закрыта, после чего движение по инерции продолжится в течение нескольких секунд. Эту процедуру необходимо повторить 12–15 раз, когда двигатель достигнет нормальной рабочей температуры. Затем увеличьте скорость движения автомобиля на самой высокой передаче с минимально допустимой скорости движения на этой передаче.

Когда двигатель будет работать на полной мощности, высокое давление газов прижмет поршневые кольца к стенкам цилиндров. После резкого закрытия дроссельной заслонки в цилиндре возникнет разрежение, которое будет втягивать масло. Это все вместе с низкой частотой вращения двигателя снизит риск остекления поверхности и позволит поршневым кольцам и стенкам цилиндра остыть.

После первоначальной приработки поршневых колец двигатель можно использовать на 80% от его потенциала мощности/частоты вращения, но при этом необходимо постоянно изменять скорость. В противном случае поршневые кольца могут подвергнуться остеклению. После примерно 30 минут на динамометрическом стенде или на гоночном треке можно считать, что приработка поршневых колец завершена. В автомобилях, предназначенных для использования в условиях городского движения, двигатель должен пройти подобное испытание на протяжении 320 км (желательно за один раз). При этом постоянно необходимо изменять скорость и использовать резкое ускорение, как и во время первоначальной обработки. Избегайте движения на постоянно высокой скорости, пока двигатель не пройдет 800–1200 км.

Я предпочитаю выполнять обкатку двигателя на динамометрическом стенде, постоянно контролируя частоту вращения двигателя и нагрузку, чтобы обеспечить долговечность двигателя и максимальную мощность. Для большинства двигателей эта процедура занимает от двух до трех часов. Пока двигатель остывает, вы можете отрегулировать толкатели и затянуть болты крепления головки блока цилиндров. Затем прогрейте двигатель, чтобы увеличить температуру охлаждающей жидкости и масла, и выполните проверку на полной мощности, чтобы определить угол опережения зажигания, подачу топлива и другие параметры. К концу тестирования можно считать, что обкатка двигателя завершена после четырех часов испытаний на динамометрическом стенде (таблица 19.3). Некоторые считают, что необходимо дать двигателю поработать на динамометрическом стенде с дополнительной нагрузкой. Теоретически это должно нивелировать различия в посадке и обработке поверхности, но это решает проблему лишь частично. Внутренние температуры влияют на посадку и форму деталей, и, что еще больше осложняет дело, зазоры под воздействием механических нагрузок могут измениться. Поэтому обкатка двигателя должна производиться только при соответствующей нагрузке, причем сначала она должна быть незначительной, а затем постепенно увеличиваться, чтобы получить необходимую рабочую поверхность.

Таблица 19.3. Стандартная процедура обкатки на динамометрическом стенде

Примечание:
Эта процедура используется для двигателей объемом 1600–2000 см³. Для двигателей с другим объемом потребуются иные нагрузки для обкатки в зависимости от объема и крутящего момента на выходе.

Проверка герметичности кольца

При выполнении проверки на полной мощности к картеру необходимо подсоединить измеритель утечек, который быстро покажет степень герметичности поршневых колец. При подобной продувке я обычно использую насос с сухим картером, при этом показания измерителя утечек должны составлять не менее 0,03–0,04 м³/мин. Если мощность падает и показания измерителя выше указанного значения, можно быть уверенным, что поршневые кольца не обеспечивают необходимую герметичность.

В качестве альтернативного варианта вы можете заблокировать все сапуны двигателя, кроме одного, затем подсоединить Т-образный переходник кводяному манометру, а к другому шлангу, который выходит в атмосферу, подсоединить заглушку. Если двигатель оснащен сухим картером, я бы использовал вентиляционное отверстие диаметром 8 мм. Важно использовать ограничитель достаточно маленького размера, чтобы показания давления составили 51мм водяного столба в двигателе, где поршневые кольца обеспечивают необходимую герметичность. В другой раз проверить герметичность поршневых колец будет очень просто. Если, например, мощность двигателя сократилась, а манометр показывает давление 228 мм водяного столба с ограничителем того же размера, вы сразу поймете, что поршневые кольца не обеспечивают нужную герметичность.

Конечно же, чтобы последняя проверка оказалась точной, необходимо предварительно провести проверку на наличие утечек. Затем, установив, что во всех цилиндрах средний уровень утечек составляет 3%, вы можете быть уверены, что поршневые кольца обеспечивают достаточную герметичность. Поэтому ваша первоначальная настройка манометра с целью установки необходимого размера ограничителя для создания давления 50 мм водяного столба будет точной.

Проверка на наличие утечек является менее точным способом определения герметичности поршневых колец, поэтому я предпочитаю использовать ее только после того, как увижу несоответствующие показания измерителя утечек, чтобы выяснить, в каком именно цилиндре происходит утечка. Конечно же, статические проверки с относительно низким давлением, как это, не могут точно отразить герметичность поршневых колец при работающем двигателе – они только укажут проблемный участок. Учтите, что эта проверка также укажет утечки через седла клапанов, поэтому необходимо слушать очень внимательно, чтобы определить, в какой части двигателя возникли проблемы.

На самом деле суть проверки на наличие утечек достаточно проста. Прогрев двигатель до нормальной рабочей температуры, извлеките все свечи зажигания, затем переместите поршень цилиндра №1 в верхнюю мертвую точку на такте сжатия, подсоедините тестер для проверки на наличие утечек к отверстию под свечу зажигания, затем подсоедините воздушную магистраль компрессора к тестеру. Тестер будет отображать потери воздуха. В идеале утечка не должна превышать 2–3%, но значение 4% является приемлемым результатом. Если утечка составляет 5%, скорее всего, этот цилиндр не работает должным образом. Затем необходимо выполнить проверку подобным образом в каждом цилиндре.

В действительности при участии в серьезных гонках проверку на наличие утечек необходимо выполнять непосредственно после квалификационного заезда, а также в конце соревнований. Если проверка выявила проблемы, установите их место и устраните перед следующей гонкой. Некоторые по глупости перевозят свой автомобиль с поврежденным двигателем на сотни километров к месту проведения гонок, а затем не могут принять в них участие, так как все ранние повреждения усугубляются. А чаще всего нужно просто выполнить хонингование цилиндров иустановить новый комплект поршневых колец, при этом, возможно, придется проверить седла клапанов и заменить клапанные пружины иподшипники.