رینگ کاور سرماک

یکی از راه‌های متداول در افزایش قدرت موتور توجه ویژه به وظایف و عملکرد پیستون، سیلندر و رینگ با هدف آب‌بندی مناسب است. تنها با تمرکز بر روی این دیدگاه، به صورت کاملاً مستقل از بقیه عوامل موثر در عملکرد موتور و بدون تغییر در حجم موتور می‌توان به صورت چشمگیری اثربخشی و توان موتور را افزایش داد.

اگر رینگ، پیستون و سیلندر وظیفه اصلی خود (آب‌بندی) را به درستی انجام ندهند، با مسئله فرار گاز (BLOW-BY) مواجه خواهیم شد. افت توان موتور، زمانی رخ می‌دهد که گاز حاصل از احتراق درون محفظه سیلندر از رینگ عبور کرده و به داخل محفظه روغن نفوذ کند. ازدیگرسو، بسیاری از مردم از پیامدهای دیگر این امر آگاه نیستند که فرار گاز باعث افزایش دمای روغن و آلوده‏شدن روغن به گازهای خروجی و سوخت می‌شود. تنها براساس همین اثرات منفی، برای عملکرد بهتر موتور باید از فرار گاز جلوگیری کرد.

علامت ظاهری فرار گاز، تجمع دوده (کربن) روی پیستون و تغییر رنگ سطح پیستون (در منطقه بین رینگ بالا و رینگ دوم) بر اثر حرارت است که در حالت‌های شدیدتر باعث تغییر رنگ قسمت پایین پیستون (PISTON SKIRT) به رنگ قهوه‌ای یا سیاه می‌شود.

با نگاهی دقیق‌تر به موتور، درمی‌یابیم زمانی که پیستون در سیلندر بالا می‌رود، مخلوط سوخت و هوا در محفظه احتراق سیلندر متراکم می‌شود. در این حالت، رینگ‌ها در حالی‌که به سمت پایین شیار پیستون فشرده می‌شوند، همراه پیستون به سمت بالا حرکت می‌کنند. هر چه پیستون بالاتر می‌رود، به دلیل افزایش فشار ناشی از کمپرس مخلوط سوخت، رینگ‌ها- به‌ویژه رینگ بالا- به سمت پایین فشرده می‌شوند. فشار ناشی از کمپرس در سطح رینگ بالا و قسمت انتهایی رینگ اعمال شده و باعث فشرده‏شدن رینگ به دیواره سیلندر می‌شود. این فشار شعاعی رینگ، شروع فرایند آب‌بندی بوده و فشار سیلندر، رینگ را به طرف خارج بر روی دیواره سیلندر فشرده می‌کند. برای حصول آب‌بندی مناسب، اندازه دهانه رینگ و فضای آزاد بین رینگ و شیار پیستون بسیار حائزاهمیت است.

معمولاً به دلیل نامناسب بودن منطقه تماس رینگ و پیستون مشکلات زیادی ایجاد می‌شود. فاصله زیاد بین محیط داخلی رینگ و شیار پیستون، باعث کاهش فشار شعاعی رینگ و نشت کمپرس ایجاد شده می‌شود. زیرا رینگ به خوبی به دیواره سیلندر فشرده نمی‌شود. به همین دلیل، فاصله بین محیط داخلی رینگ و شیار پیستون باید تا حد ممکن کم شود.

همچنین، اگر محیط داخلی رینگ قادر به آب‌بندی مناسب با شیار پیستون نباشد، گازهای داغ ناشی از کمپرس و احتراق، دمای سطوح پیستون و رینگ را به شدت افزایش می‌دهد. دمای بیش از اندازه، باعث تبخیر سریع روغن و باقیماندن لایه‌ای از دوده (ناشی از تبخیر روغن) در فاصله بین رینگ و شیار پیستون می‌شود. با تداوم این مسئله، فاصله آزاد رینگ و شیار پیستون به صفر رسیده و رینگ به شی غیرمنعطفی تبدیل می‌شود.

اکنون اهمیت فرار گاز را دانستیم و به نقش رینگ در عملکرد موتور پی بردیم. بسیاری از سازندگان و طراحان موتور، بر بهینه‌سازی شرایط عملکردی دیواره سیلندر تمرکز کرده و تمایل زیادی به بهبود وضعیت تماس رینگ و پیستون دارند. با این فرض که افزایش آب‌بندی رینگ و پیستون باعث ایجاد فشار داخلی در سیلندر شده و این سیستم به تنهایی یک نیروی آب‌بندی ذاتی (self sealing) را ایجاد می‌کند.

 رینگ‌های پیستون HIGH PERFORMANCE

امروزه رینگ‌های پیستون در انواع نازک‌تر و سبک‌تر، طراحی و استفاده می‌شوند. رینگ‌های نازک‌تر و با نیروی مماسی کمتر با کاهش میزان اصطکاک برای رسیدن به بیشترین توان موتور استفاده می‌شوند. وزن کمتر باعث کاهش فرسایش شیار پیستون می‌شود و در رینگ‌های با ضخامت کمتر می‌توان به دقت ابعادی بالاتر و آب‌بندی مناسب‌تر دست یافت.

با اینکه امروزه در خودروهای مسابقه‌ای از رینگ‌های با ارتفاع یک میلی‌متر استفاده می‌شود، اما برخی طراحان موتور از رینگ‌های با ارتفاع 6/0 میلی‌متر در موتورهای خود استفاده می‌کنند. در آخرین نمایشگاه صنایع مربوط به خودروهای مسابقه‌ای، یکی از شرکت‌های تولیدکننده، رینگ روغنی با ارتفاع 5/1 میلی‌متر ارائه کرد که پیش از این در هیچ خودرویی استفاده نشده است. سازنده این رینگ، اعلام کرده است: این رینگ روغن بسیار نازک تنها در مسابقات NASCAR NEXTEL استفاده می‏شود و هنوز برای مصارف عمومی کاربرد پیدا نکرده و در واقع استفاده از این رینگ در چنین رقابت‌هایی تنها با هدف رسیدن به حداقل مقدار ممکن برای اندازه دهانه رینگ صورت گرفته است. این رینگ در حال حاضر یک رینگ ایده‌آل (GAP LESS) نبوده و نیازمند برخی اصلاحات است.

مزیت استفاده از رینگ‌های نازک‏تر و سبک‌تر، کاهش ارتفاع پیستون است.ارتفاع کمتر پیستون در کورس ثابت (ارتفاع سیلندر ثابت) باعث بهبود دینامیک تراکم گاز و حرکت بهتر در سیلندر می‌شود. کم‏شدن ارتفاع پیستون همچنین می‌تواند، به دلیل کاهش وزن پیستون، باعث افزایش دور موتور شود، اما کم‏کردن ارتفاع پیستون به این معناست که رینگ باید در منطقه بالاتری از پیستون قرار گیرد دقیقا به همین خاطر می‌بایست از رینگ‌های نازک‌تر، باریک‌تر، مقاوم‌تر و با مقاومت حرارتی بیشتر استفاده کرد زیرا رینگ بالایی در منطقه نزدیک محفظه احتراق قرار دارد.

رینگ‌های پیستون چدنی (چدن خاکستری) هنوز پرکاربردترین گزینه در موتورهای معمولی (خیابانی) و مسابقه‌ای هستند. در حالی‌که این نوع رینگ‌ها در مقایسه با رینگ‌هایی از جنس چدن داکتیل و فولاد، به دلیل عمر کمتر، در رده پایین‌تری قرار می‌گیرند. رینگ‌هایی از جنس چدن داکتیل دارای استحکام کششی 2 برابر و مقاومت به خستگی 3 برابر رینگ‌های از جنس چدن خاکستری بوده و این ارقام برای رینگ‌های فولادی تقریبا 4 برابر رینگ‌های چدنی است. این امر به این معناست که رینگ‌های فولادی و یا چدن داکتیل، پایداری بیشتری در شرایط مسابقه داشته و به دلیل استحکام بیشتر، ریسک شکستن تحت فشار زیاد را کاهش می‌دهد. همچنین رینگ‌های فولادی فرسایش جانبی (فرسایش دیواره سیلندر) کمتری داشته و خوردگی شیار پیستون را کم می‌کنند.

مزیت رینگ چدن داکتیل در مقایسه با رینگ فولادی، یکنواختی در توزیع فشار جانبی Pressure Pattern در رینگ‌های چدنی است.

 انواع رینگ پیستون

رینگ‌های فعلی (متداول)

در بسیاری از موتورهای متداول، از رینگ‌های با نیروی مماسی پایین، پوشش مولیبدن و از جنس چدن داکتیل یا فولاد استفاده می‌شود. استفاده از این رینگ‌ها در بسیاری از خودروسازان مرسوم بوده و با وسعتی بیشتر در بازار قطعات یدکی مصرف می‌شوند. به عقیده بسیاری از سازندگان بزرگ رینگ، هم‌اکنون رینگ‌های چدنی در بازار بیشترین سهم تقاضا را دارند زیرا این رینگ‌ها، از عملکرد و دوام مناسبی برخوردار بوده و لذا استفاده از آنها کاملا اقتصادی است.

رینگ‌هایی که به تازگی طراحی می‌شوند

رینگ‌های جدید در شرایط دمایی بالاتری از انواع قدیمی خود کار می‌کنند. هر چه در طراحی موتور، رینگ به تاج پیستون نزدیک‌تر می‌شود، می‌بایستی حرارت بیشتری را تحمل کرده و به سیلندر انتقال دهد. در دهه گذشته، فاصله شیار رینگ بالا با تاج پیستون بین 5/7 تا 8 میلی‌متر بود، درحالی‌که در موتورهای پیشرفته امروزی، این فاصله به 3 تا 5/3 میلی‌متر کاهش یافته است. این فاصله اندک در قسمت بالای رینگ، باعث حبس کردن قسمتی از مخلوط سوخت شده و باعث احتراق ناقص سوخت می‌شود. در نتیجه، باکم کردن این شکاف می‌توان انتظار داشت که درصد بیشتری از سوخت بر اثر جرقه، محترق شده و توان بیشتری را ایجاد کند، اما نزدیکتر شدن رینگ بالایی به محفظه احتراق، مستلزم تقویت مقاومت حرارتی رینگ است.

دمای رینگ کمپرس بالایی در بسیاری از موتورهای امروزه به 320 درجه سانتی‌گراد می‌رسد،‌ در حالی که رینگ کمپرس پایین در دمای تقریبی 150 درجه سانتی‌گراد کار می‌کند که هیچ رینگ کمپرسی از جنس چدن خاکستری، تحمل چنین دمایی را نخواهد داشت و به همین علت، برای تولید رینگ کمپرس بالایی از چدن داکتیل یا فولاد استفاده می‌شود.

رینگ‌های با نیروی مماسی پایین

با مروری به تاریخچه رینگ در جدول 1، درمی‌یابیم که رینگ‌ها نازک‌تر و باریک‌تر شده‌اند. امروزه اغلب رینگ‌های کمپرس بالا با ارتفاع 2/1 میلی‌متر رینگ‌های کمپرس پایین با ارتفاع 5/1 میلی‌متر و رینگ‌های روغن با ارتفاع 5/2 میلی‌متر تولید می‌شوند. البته در برخی انواع موتور از رینگ‌های نازکتری نیز استفاده می‌شود. در این زمینه، خودروسازان ژاپنی از رینگ‌های با ارتفاع 1 و حتی 8/0 میلی‌متر به عنوان رینگ کمپرس بالا استفاده می‌کنند. این خودروسازان، معمولا از پوشش سطحی گاز نیترید بهره می‌برند. سازندگان منطقه آمریکای شمالی عقیده دارند پوشش نیتریدی بسیار گران بوده و پوشش مولیبدن به دلیل داشتن حفره‌های بسیار ریز- در جهت نگه‏داشتن روغن و ایجاد خاصیت SELF LUBRICATION بسیار بهتر و اقتصادی‌تر است. هر چند با همه این تعاریف، رینگ‌های با پوشش نیتریدی هنوز در ژاپن پرکاربردتر از دیگر انواع رینگ هستند.

در مقایسه با این سازندگان، سازندگان اروپایی از انواع پوشش‌ها- نیترید، کروم و مولیبدن- برای محصولاتشان استفاده می‌کنند. اروپایی‌ها نیز مانند سازندگان ژاپنی و امریکایی، از رینگ‌های باریکتر و نازک‌تر استفاده می‌کنند، با این تفاوت که بسیاری از این تغییرات در اروپا برای موتورهای دیزل کوچک استفاده می‌شوند. اروپایی‌ها خودروهای سواری دیزل را به انواع بنزینی ترجیح می‌دهند که دلیل این امر، مسائل اقتصادی به صرفه بودن گازوئیل نسبت به بنزین است.

رینگ‌های پیستون مسابقه‌ای

رینگ‌های پیستون مسابقه‌ای نیز همانند دیگر انواع رینگ‌ها، باریک‌تر و نازک‌تر می‌شوند. کاهش نیروی مماسی رینگ علاوه بر کاهش اصطکاک، باعث آب‌بندی و کاهش فرار گاز می‌شود. یعنی طراحان موتورهای مسابقه‌ای، خلا بیشتری در محفظه روغن ایجاد کرده و توان موتور را افزایش داده‌اند.

در اغلب پیستون‌های این خودروها، فاصله شیارهای رینگ با تاج پیستون کاهش یافته و از رینگ‌های با ظرافت بسیار بالا استفاده می‌شود. شیار رینگ در اینگونه پیستون‌ها به گونه‌ای ماشین‌کاری می‌شود که با انبساط حرارتی پیستون در شرایط مسابقه، جبران شود.

بهبود دیگر در این گونه موتورها، ایجاد سوراخ‌هایی است که در شیار پیستون و در قسمت داخلی رینگ قرار می‌گیرند. رینگ‌های کمپرس، معمولاً به شکلی طراحی می‌شوند که شکافی در حد 2 تا 4 میکرون- به منظور نفوذ گاز و فشردن رینگ از داخل به دیواره سیلندر – بین رینگ و پیستون ایجاد شود. با ایجاد سوراخ‌های ریز در شیار پیستون، شکاف کمتری در این ناحیه مورد نیاز بوده و آب‌بندی به طرز چشمگیری بهبود می‌یابد. ضمن اینکه با این تدبیر، در دورهای بالای موتور، لرزش رینگ بسیار کمتر شده و توان کمتری از موتور صرف غلبه بر این ارتعاشات می‌شود، در نتیجه توان خروجی موتور نیز افزایش می‌یابد.

در موتورهای مسابقه‌ای، از رینگ روغن یک تکه با طراحی ویژه استفاده کرده‌اند که اهم آن به شرح ذیل است:

• حذف دهانه آزاد (Close Gap) برای کاهش فرار گاز و کاهش سوخت روغن
• امکان‌پذیر شدن ادغام رینگ دوم و سوم و حذف رینگ دوم
• کاهش سطح تماس رینگ به جداره سیلندر
• امکان کاهش نیروی مماسی به میزان 20 درصد کمتر از سایر طرح‌های رینگ روغن
• افزایش توان موتور به دلیل کاهش سطح تماس و نیروی اصطکاک