ساختار موتورهای احتراقی بر پایه سیلندرها و پیستون‌ها بنا شده است. در واقع فضای بسته سیلندرها که با اتصال بلوک سیلندر و سرسیلندر تشکیل می‌شود و حرکت پیستون در این فضا، شالوده اصلی فرایند احتراق و تامین نیروی این دست موتورها هستند. مخلوط سوخت و هوای تزریق شده درون سیلندر از طریق سوپاپ‌ها، با حرکت رو به بالای پیستون تحت فشار قرار گرفته، متراکم می‌شود و احتراق از طریق جرقه‌زنی شمع رخ می‌دهد. نیروی حاصل از احتراق، پیستون را به پایین حرکت داده، شاتون تحت تاثیر حرکت پیستون بر میل‌لنگ نیرو وارد می‌کند. نیروی رفت و برگشتی پیستون که به وسیله شاتون به میل‌لنگ منتقل شده است در این بخش به نیروی چرخشی تبدیل و به سمت سیستم انتقال نیرو هدایت می‌شود. بنابراین می‌توان گفت یکی از اصلی‌ترین بخش‌های فرآیند تولید نیرو در موتور، توسط پیستون‌ها مدیریت می‌شود. پیستون برای انجام بهینه و بی‌نقص وظیفه خود وابسته به رینگ‌های اطرافش است. می‌خواهیم درباره این رینگ‌ها بیشتر بدانیم.
رینگ پیستون چیست و چه وظیفه‌ای دارد؟
رینگ (Ring) به معنای حلقه، به اجزایی فلزی، پلاستیکی یا لاستیکی گفته می‌شود که دور جسم دیگری (عموما استوانه‌ای) حلقه بسته تسکیل می‌دهند. پیستون، برای انجام بهینه وظیفه خود نیاز به حرکت راحت و دور از اصطکاک درون سیلندر دارد. رینگ‌های پیستون این شرایط را برای آن ایجاد می‌کنند. به این ترتیب که پیستون که قطعه‌ای استوانه‌ای شکل و فلزی است روی بدنه خود شیارهایی دارد که برای قرار گرفتن رینگ‌های آن تعبیه شده‌اند. این رینگ‌ها با قرار گرفتن در محل مشخص شده فاصله‌ای چند میلیمتری بین پیستون و سیلندر ایجاد کرده و حرکت پیستون را درون سیلندر به دور از اصطکاک مدیریت می‌کنند. همچنین فضای درون سیلندر توسط پیستون و رینگ‌های آن به دو بخش تقسیم می‌شود. بخش بالایی پیستون محفظه احتراق و بخش پایینی فضای حرکت شاتون را تامین می‌کند. پیستون برای حرکت راحت در این فضا نیاز به فعالیت مداوم سیستم روان‌کاری و روغن سیال درون سیلندر دارد. همچنین نفوذ روغن به محفظه احتراق، منجر به ایجاد اختلال در روند اشتعال مخلوط سوخت و هوا و روغن سوزی موتور می‌شود. بنابراین این دو فضا باید به خوبی از یکدیگر تفکیک شده و عایق‌بنی دقیق بین آن‌ها صورت گیرد. این عایق‌بندی نیز از وظایف رینگ پیستون است. بنابراین می‌توان برای رینگ پیستون وظایف زیر را در نظر گرفت:
– کاهش تماس بین پیستون و جداره سیلندر تا جای ممکن، با ایجاد فاصله میلیمتری
– پیشگیری از اصطکاک سطوح پیستون و جداره سیلندر و ممانعت از فرسودگی بیش از حد این دو بخش
– هدایت روغن درون سیلندر و پیشگیری از نفوذ آن به محفظه احتراق
– عایق بندی محفظه احتراق و پیشگیری از نشت مخلوط سوخت و گاز از اطراف پیستون
– پیشگیری از نفوذ دود درون محفظه احتراق به سطح پایین پیستون و سیلندر
– انتقال گرما از پیستون به جداره سیلندر که دمای پایین تری دارد به منظور جلوگیری از افزایش بیش از حد دمای این قطعات و بالا رفتن استهلاک آن‌ها
بنابراین وظایف اصلی رینگ پیستون شامل عایق‌بندی کامل سیلندر و همچنین پیشگیری از استهلاک بیشتر این قطعات یعنی سیلندر و پیستون است. درنتیجه رینگ پیستون خود نیاز به مقاومت بالا در برابر ضربات و تماس مداوم و مقاومت گرمایی بالایی دارد. به همین دلیل این قطعه را از فلزی مقاوم به گرما و ضربه می‌سازند.
پیستون دارای چند شیار روی بدنه خود و چند نوع رینگ روی این شیارها است. این رینگ‌ها بسته به محل کاربرد، جنس و فرم طراحی وظایف مختلفی را برعهده دارند. بر همین اساس رینگ‌های پیستون را به دو دسته تقسیم می‌کنند که عبارتند از:
- روغنی
- فشاری
تعداد رینگ‌های در هر پیستون از سه تا هفت عدد متغیر است که بسته به نوع موتور و تراکم مورد نظر مخلوط هوا و سوخت در آن تعیین می‌شود. به این ترتیب که معمولا در موتورهای بنزینی از سه یا چهار و موتورهای دیزلی از شش یا هفت رینگ استفاده می‌شود. در ادامه این دو نوع رینگ را با جزئیات بیشتر بررسی می‌کنیم.
حتما بخوانید: بهترین شاسی‌بلندهایی که در بازار ایران می‌درخشند
رینگ فشاری و ساختار آن
دیواره سیلندر هنگام پایین آمدن پیستون باید از روغن پاک شود. چرا که باقی ماندن آن موجب سوختن روغن و اختلال در نتیجه احتراق می‌شود. بنابراین همان‌طور که گفته شد، رینگ‌های پیستون علاوه‌بر جلوگیری از نفوذ روغن موجود در فضای زیرین و اطراف پیستون به درون محفظه احتراق، باید این دیواره را نیز از آثار روغن پاک کنند. این وظیفه بر عهده رینگ فشاری است. همچنین نفوذ مخلوط سوخت و گاز به بیرون از فضای محفظه احتراق، در زمان اوج فشار، از تراکم این مخلوط کاسته که بر کیفیت احتراق تاثیر منفی خواهد داشت. علاوه‌بر اینکه پس از وقوع انفجار، خارج شدن دود و گاز حاصل از آن از محفظه نیز کاهش تراکم و پایین آمدن راندمان قدرت موتور را به دنبال دارد. بنابراین باید این محفظه به خوبی از هر دو سو بسته باشد. این عایق‌بندی در زمان اوج فشار و تراکم اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. به همین منظور از رینگ‌های تراکمی که از عموما جنس چدن عموما و انعطاف‌پذیر هستند، استفاده می‌شود. این رینگ‌ها را به نوعی می‌سازند که انبساط کافی در برابر گرما داشته باشند. بنابراین بالا رفتن دمای درون سیلندر، منبسط شده، دیواره را زمان بالا بودن پیستون به خوبی محفوظ کرده و همچنین هنگام پایین آمدن آن از روغن پاک کنند. این رینگ‌ها که عموما یک تکه ساخته می‌شوند برای تاثیر بیشتر خصوصیت عایق‌بندی در شیارهای بالای پیستون جاسازی می‌شوند. در هر پیستون حداقل از دو رینگ فشاری به صورت پشت سر هم و بالاتر از رینگ روغنی استفاده می‌شود.
لبه رینگ‌های فشاری را برای ممانعت از برخورد سطح تیز با دیواره سیلندر و کاهش اصطکاک و احتمال آسیب دیدگی جداره داخلی سیلندر، ساف یا پخ می‌سازند. دو سمت این لبه صاف نیز کمی گرد می‌شود تا از هرگونه آسیب احتمالی رینگ به سیلندر کاملا پیشگیری شود. گاهی سطح بالایی رینگ تراکم یا پیشانی آن نیز با شعاعی بسیار پایین گرد طراحی می‌شود تا فشار ناشی از تراکم در نقطه مرگ بالایی به بهترین حالت روی آن نتیجه داده و منجر به انبساط کاملش گردد. رینگ فشاری از چدن خاکستری ساخته می‌شود. اما به منظور بالا بردن مقاومت و ضریب گرمایی آن و همچنین کاهش اصطکاکش، با لایه‌ای نازک از یک ماده مشخص کاور می‌گردد. این لایه می‌تواند اکسید آهن یا کروم باشد. در نوع کرومی از یک لایه کروم نرم استفاده می‌شود که تماس را کاملتر می‌کند و آسیب به دیواره سیلندر را نیز به حداقل می‌رساند. گاهی هم از پوشش مولیبدن برای این لایه استفاده می‌شود. مولیبدن ضریب حرارتی و انبساطی بالاتری دارد. به همین دلیل در اکثر خودروهای مدرن از رینگ مولیبدنی استفاده می‌شود.
رینگ‌های روغنی شیاردار یا سوراخ‌دار طراحی می‌شوند. نوع طراحی آن‌ها به دلیل ایجاد امکان تردد روغن به بالا و پایین‌شان است. رینگ‌های روغنی معمولا در پایین‌ترین شیار پیستون قرار می‌گیرند، پایین‌تر از رینگ‌های فشاری و جایی نزدیک به سوراخ گژن پین. رینگ‌های روغنی ضمن حفظ فاصله چند میلیمتری پیستون با جداره داخلی سیلندر از انتشار بیش از حد و اضافه روغن نیز جلوگیری می‌کنند.
در واقع رینگ‌های روغنی موظف به پیشگیری از مصرف بیش از حد و لازم روغن و تنظیم لقی پیستون درون سیلندر هستند. این تنظیم لقی به معنی ممانعت از حرکات عرضی پیستون هنگام بالا و پایین رفتن درون سیلندر است. گاهی یک رینگ روغنی نیز در شیاری پایین‌تر از سوراخ گژن‌پین تعبیه می‌شود تا جلوگیری از انتشار روغن، کاملتر و بهتر صورت گیرد. دهانه رینگ‌های روغنی به تنظیم قطر آن‌ها با قطر پیستون و سیلندر کمک می‌کند. همچنین برای کنترل بهتر روغن از یک منبسط کننده‌ی فنری در پشت رینگ‌های روغن و بغل رینگی‌های فولادی آب کروم شده استفاده می‌شود. این رینگ عمل جمع کردن روغن از دیواره‌ی سیلندر را برای جلوگیری از نفوذ آن به محفظه‌ی احتراق به کمک رینگ تراکم تکمیل می‌کند و اگر رینگ تراکم جمع کردن روغن را ناقص انجام داده باشد رینگ روغن آن را کامل می‌کند. روغن جمع شده توسط این رینگ‌ها نیز به کارتل روغن بازمی‌گردد.