Компрессионные поршневые кольца работают в тяжёлых условиях (в особенности верхнее кольцо). Вследствие непосредственного контакта с горячими газами, а также из-за большой работы трения компрессионное кольцо подвергается сильному нагреву, что влечёт за собой значительные затруднения в формировании его надёжного смазывания, в особенности при положении поршня в верхней мёртвой точке (в.м.т.). В данной зоне пара первых колец работает практически в условиях полусухого трения, что приводит к их повышенному износу (вместе с соответствующим участком цилиндра).
Компрессионные кольца, устанавливаемые в верхнюю поршневую канавку, как правило, имеют прямоугольную либо трапециевидную форму [рис. 1, а)]. Прямоугольные кольца не только хорошо уплотняют надпоршневое пространство, но и просты конструктивно и в производстве. Воздействуя на кольцо, силы газов плотно закрывают газовый стык по нижнему торцу, а также по рабочей поверхности кольца, что способствует повышенной теплоотдаче от поршня к цилиндру и хорошему уплотнению [рис. 2, а)]. В прямоугольных кольцах, имеющих относительно большую высоту, с целью улучшения смазки на рабочей цилиндрической поверхности выполняется проточка одной либо нескольких канавок, чьи кромки имеют небольшую коничность либо скругления.
Рис. 1. Конструктивные схемы поршневых колец автомобильных двигателей.
а) – Компрессионное поршневое кольцо из чугуна:
1) – Прямоугольное компрессионное кольцо;
2) – Трапециевидное компрессионное кольцо;
3) – Торсионное компрессионное кольцо;
4) – Торсионное компрессионное кольцо;
5) – Коническое компрессионное кольцо;
6) – Коническое компрессионное кольцо;
7) – Скребковое компрессионное кольцо;
8) – Скребковое компрессионное кольцо;
б) – Маслосъёмное коробчатое кольцо из чугуна;
в) – Витое компрессионное кольцо из стали;
г) – Витое четырёхэлементное маслосъёмное кольцо из стали:
1) – Кольцевые элементы;
2) – Осевой расширитель;
3) – Радиальный расширитель;
д) – Витое трёхэлементное маслосъёмное кольцо из стали:
1) – Кольцевые элементы;
2) – Двухфункциональный расширитель.
Трапециевидные компрессионные кольца (применяются в двигателях А-41, СМД-60, А-01М, КамАЗ и ЯМЗ) меньше подвержены закоксовыванию, чем прямоугольные, из-за того, что при из радиальных перемещениях происходит резкое изменение объёма торцевого зазора между канавкой и кольцом, приводящее к увеличению прокачки масла через зазор и устранению условий для коксования масла в зазоре [рис. 2, е)]. Трапециевидные кольца вместе с поршнями с трапециевидными канавками имеют и минусы: сложность изготовления и высокую цену. Помимо этого, они имеют большую склонность к поломкам и износам не только самого кольца, но и канавки, в сравнении с прямоугольными компрессионными кольцами.
Рис. 2. Схема работы компрессионных поршневых колец.
а) – Схема уплотняющего действия поршневого кольца:
1) – Гильза цилиндра;
2) – Головка цилиндра;
3) – Поршень;
б) – Замок поршневого кольца:
1) – Косой замок;
2) – Прямой замок;
3) – Прямой замок со стопорным винтом;
в) – Торсионное кольцо в свободном состоянии;
г) – Торсионное кольцо в рабочем состоянии;
д) – Компрессионное кольцо с конической наружной поверхностью;
е) – Компрессионное кольцо, имеющее в поперечном сечении форму односторонней трапеции.
Компрессионные конические кольца (применяются в двигателях Д-160, Д-240) хорошо прирабатываются, ввиду того, что вначале кольцо прилегает к цилиндру только нижней кромкой. Из-за специфичности работы данных колец их, как правило, устанавливают во вторую и третью канавки поршня.
Компрессионные торсионные кольца (применяются в двигателях ЗИЛ-130, Д-50, ЗМЗ-53, СМД) имеют на своей внутренней поверхности (в верхней части) выточки либо фаски. Это даёт возможность кольцу приобретать хорошие маслосъёмные качества, а также быстро прирабатываться. Однако при перекосе и специфичном скручивании такого кольца происходит уменьшение осевого зазора в поршневой канавке, что влечёт за собой пригорание и поломку кольца. Торсионные кольца целесообразно использовать только в промежуточных канавках поршня.
Компрессионные кольца, которые предназначены для установки в процессе эксплуатации в изношенные цилиндры, изготавливаются с небольшой выточкой, расположенной на верхней кромке рабочей поверхности [рис. 1, а)]. Данная выточка исключает поломку верхнего кольца путём предотвращения набегания кромки кольца на уступ, формирующийся в верхней части цилиндра в процессе его износа. Посредством своевременной замены изношенных поршневых колец на специальный ремонтный комплект можно увеличить ресурс двигателя (на 30-50%) до капитального ремонта.
Компрессионные поршневые кольца изготавливаются из серого перлитного хромтитаномедистого чугуна, легированного ванадием, вольфрамом либо молибденом. Рабочая поверхность верхних компрессионных колец покрывается слоем хрома с целью повышения износостойкости. Чтобы облегчить приработку колец на поверхности хрома формируют специальный пористый слой малой толщины. В местах высокого удельного давления данный слой быстро истирается, при этом масло, скопившееся в порах, препятствует задиру и заеданию. Общая толщина наружного пористого слоя на компрессионном кольце составляет 0,03-0,06 мм, а слоя хрома – 0,12-0,14 мм.
Для компрессионных колец высокофорсированных дизельных двигателей хромовому покрытию посредством соответствующей механической обработки придаётся бочкообразная форма. Это позволяет достичь лучшей приработки, резко снизить износ и исключить возможность возникновения задира колец в цилиндре. На компрессионные кольца некоторых двигателей (на слой хрома либо непосредственно на основной материал кольца) наносится молибденовый слой, который за счёт высокой твёрдости, высокой температуры плавления и микропор (хорошо удерживают смазку) обладает повышенными противоизносными и высокими антизадирными свойствами.
Витые компрессионные поршневые кольца из стали применяются не только для новых двигателей, но и при ремонте и установке поршневых колец в изношенные цилиндры [рис. 1, в]. В комплекте они не только хорошо прирабатываются, но и приспосабливаются к деформированным и изношенным цилиндрам. Данные кольца в осевом направлении обладают требуемой упругостью, которая исключает насосные действия колец в изношенных поршневых канавках, что способствует снижению расхода (на угар) картерного масла. К недостаткам витых компрессионных колец можно отнести то, что они не обеспечивают заданный отвод теплоты от поршня и их не применяют в качестве первого, а в дизельных двигателях — второго компрессионных колец.