Pierścienie tłokowe
Tłoki silników okrętowych mogą być wyposażone w trzy rodzaje pierścieni:
uszczelniajÄ…ce, olejowe i prowadzÄ…ce.
Pierścienie uszczelniające
Pierścienie uszczelniające są zakładane w rowki górnej części tłoka w liczbie 3 8 sztuk. Tłoki współczesnych
silników okrętowych mają zwykle 3 5 pierścieni uszczelniających. Podstawowym zadaniem zespołu
pierścieni jest uszczelnienie komory spalania przez wspólne działanie pojedynczych pierścieni. Pierścienie te
odprowadzają też ciepło z górnej części tłoka do tulei cylindrowej.
Zasada działania pierścienia uszczelniającego
Podstawą prawidłowego działania pierścienia uszczelniającego jest ścisłe jego przyleganie do tulei na
powierzchni A i do rowka na powierzchni B (rys. 6.17), uwarunkowane dociskiem pierścienia siłą promieniową
Pr i osiową PZ. O wartości docisku pierścienia do tulei cylindrowej, czyli o sile Pr, decydują:
" siła sprężystości własnej pierścienia Ps
" wypadkowa sił nacisku gazu w kierunku promieniowym Prg
" siÅ‚a tarcia Prµ na powierzchni B.
Algebraicznie suma tych sił  Pr.  decyduje o docisku pierścienia do gładzi cylindrowej
Pr=Ps+Prg+/-Prµ
Rys. 6.17. Siły gazowe działające na pierścień tłokowy 1 tuleja cylindrowa; 2 tłok; 3 pierścień
uszczelniajÄ…cy;
Prg  wypadkowa sił gazowych w kierunku promieniowym
Pzg- wypadkowa sit gazowych w kierunku osiowym
Decydujący wpływ na wartość siły dociskającej pierścień do gładzi ma siła Prg będąca ok. 20-80 razy większa
od siÅ‚y sprężystoÅ›ci wÅ‚asnej Ps. Również siÅ‚a tarcia Prµ=µrPz  równa iloczynowi nacisku osiowego Pz i
współczynnika tarcia µr jest relatywnie maÅ‚a w stosunku do siÅ‚y Prg.
Siły działające w kierunku osiowym, dociskające pierścień do dolnej powierzchni rowka B, są następujące:
" wypadkowa sił nacisku gazu w kierunku osiowym Pzg (rys. 6.17.),
" siła bezwładności (masowa) pierścienia Pm
" siÅ‚a tarcia Pzµ na powierzchni A.
Suma powyższych sił Pz
Pz=Pzg+/-Pm+/-Pzµ
jest wypadkową działającą na pierścień w kierunku osiowym. Siła ta powinna być skierowana zawsze w
kierunku dolnej pÅ‚aszczyzny rowka-pÅ‚aszczyzny B. SiÅ‚y Pzg Pm i Pzµ. w czasie jednego cyklu pracy sÄ… zmienne
co do wartoÅ›ci, a siÅ‚y masowe Pm i tarcia Pzµ również co do kierunku (rys. 6.18&).
Dla normalnych warunków pracy (szczelne pierÅ›cienie, prawidÅ‚owe smarowanie tulei) siÅ‚a tarcia Pzµ jest
pomijalnie mała, zatem o wartości siły Pz decydują: wypadkowa nacisku gazów Pzg i siła masowa Pm. Przebieg
zmienności siły masowej Pm jest taki jak podano na rys. 4.3. Siły tej nie można pominąć przy analizie sił
działających na pierścień/ gdyż jej wartość liczbowa/ zwłaszcza dla średnioobrotowych silników/ jest znaczna.
W podanym na rys. 6.17. rozkładzie nacisków na pierścień zakłada się idealne warunki pracy pierścienia:
prawidłowe przyleganie pierścienia do tulei i rowka oraz wynikający stąd linearny spadek ciśnienia wzdłuż
powierzchni uszczelniających A i B, a także brak dławienia/ a zatem i spadku ciśnienia gazu w szczelinach
pomiędzy pierścieniem a rowkiem. Na rozkład ciśnienia w tych szczelinach istotny wpływ wywierają: luz
osiowy Io i promieniowy lr .
Z powyższych rozważań wynika, że o prawidłowości działania pierścienia uszczelniającego w istotny sposób
decyduje nacisk od siły gazowej w kierunku promieniowym Prg i osiowym Pzg. Siły te odniesione do jednostki
powierzchni pierścienia dla warunków podanych na rys. 6.17. wynoszą odpowiednio
oraz
Siła Pz działająca na pierścienie uszczelniające silnika czterosuwowego zmienia cyklicznie wartość i kierunek
działania co jest przyczyną tzw.  trzepotania" pierścieni  osiowego ruchu pierścieni w rowkach.
Rzeczywiste warunki pracy pierścienia uszczelniającego są inne niż przyjęto w założeniach
upraszczających. Jest to powodowane błędami geometrii kształtu i powierzchni tulei pierścienia i tłoka
(rowka), a przede wszystkim ich termicznymi i mechanicznymi odkształceniami oraz nierównomiernym
zużywaniem się, osadami na powierzchniach uszczelniających i w szczelinach rowka/ a także poprzecznym
ruchem tłoka w tulei.
Czynniki powyższe mogą sprawić że rozkład nacisków na pierścień a zatem jego obciążenie jest inne niż w
warunkach idealnych.
W warunkach eksploatacyjnych możliwa jest więc duża różnorodność rozkładów nacisków na pierścień, a tym
samym jego stanów obciążenia. Przyjmując wypadkową nacisków w kierunku płaszczyzn A i B za dodatnią (+),
naciski te mogą się zmieniać
Prg od  p do +p
oraz
pzgod 0 do +p
Należy ponadto zauważyć że pierścień ślizga się z prędkością 6-10 m/s po powierzchni cechującej się
zmiennością temperatury i warunków smarowania wpływających między innymi na grubość filmu olejowego
Także ciśnienie gazu działające na pierścień zmienia się w cyklu roboczym.
Zasada działania układu pierścieni uszczelniających
Ze względu na wyżej podane czynniki i warunki pracy nie pojedynczy pierścień, lecz układ pierścieni
uszczelniających może zapewnić praktycznie wymaganą szczelność przestrzeni roboczej. Układ pierścieni
uszczelniających (ze względu na istotę swego działania) można porównać do uszczelnienia labiryntowego
składającego się z szeregu komór k połączonych dyszami. Odpowiednikami komór labiryntu są szczeliny
obwodowe i osiowe w rowkach, powodowane nieszczelnościami pierścienia na powierzchniach A i B. Dla
stałych ciśnień p1, p2, p3, ... objętość komór k1 k2, k3, ... labiryntu nie wpływa na przebieg spadku ciśnienia
wzdłuż labiryntu.
W warunkach rzeczywistych ciśnienie, działające na układ pierścieni uszczelniających zmienia się w funkcji
kąta OWK, powoduje okresową zmienność ilości gazu w poszczególnych szczelinach pomiędzy pierścieniami a
ściankami rowków czyli cykliczny dopływ i odpływ z nich gazu. Natężenie dopływu i odpływu gazu do i ze
szczelin  komór zależy od chwilowego ciśnienia w komorze spalania i odbywa się w stosunku do tych zmian
z określonym opóz
nieniem fazowym.
Wszelkie odstępstwa od założeń konstrukcyjnych, takie jak: nieprawidłowy luz \O , wypracowane rowki,
zabrudzone nagarem pierścienie i rowki itp. zmienią, a praktycznie pogorszą warunki działania układu
pierścieni uszczelniających.
Materiały pierścieni uszczelniających
Podstawowym materiałem stosowanym na pierścienie jest żeliwo szare perlityczne o zawartości C = 3,2-
3,55%, Si = 1,25-2,0% i innych dodatkach stopowych, jak Mn,P,Cu,Ni,Mo. Materiał ten cechuje się dużą
wytrzymałością mechaniczną i dobrymi właściwościami trybologicznymi. Jako materiał na pierścienie stosuje
się także żeliwo sferoidalne. Pierścienie takie/ wskutek wyższej wytrzymałości i ciągliwości mniej są narażone
na złamanie lecz ze względu na trudne docieranie się/ często ulegają zatarciu i zwiększonemu zużyciu. W celu
polepszenia własności ciernych pracującą powierzchnię pierścienia rowkuje i miedziuje się lub pokrywa
warstwÄ… chromu.
Kształt pierścieni
Jak już wspomniano pierścień  ściągnięty" do średnicy cylindra nie jest okręgiem o stałym promieniu lecz 
zależnie od przeznaczenia  ma zmienne skorygowane krzywizny w obszarze zamka.
W zależności od średnicy cylindra, stopnia obciążenia silnika, warunków chłodzenia tłoka itp. stosuje się
różnorodne pierścienie uszczelniające których przykłady pokazano na rys. 6.25. Pierścienie te mają najczęściej
przekrój
Rys. 6.25. Przykłady pierścieni uszczelniających
Rys. 6.26. Rodzaje krawędzi przekroju pierścieni uszczelniających [29]
prostokątny (rys. 6.15a, b, g, h, i, j, k}. Rowki na czołowej powierzchni pierścienia (rys. 6.25b, h, j) zwiększają
jego odporność na zacieranie. Pierścienie o czołowej powierzchni baryłkowej symetrycznej (rys. 6.25c),
niesymetrycznej (rys. 6.25d) lub stożkowej (rys. 6.25e), tzw. pierścienie częściowo odciążone, mają zdolność
szybkiego dotarcia się, a pierścienie z rys. 6.25^ i e wpływają ponadto na zmniejszenie zużycia oleju. Pierścień
skręcany (rys. 6.27/), o wewnętrznej górnej krawędzi ściętej stożkowe, ma zdolność szybkiego docierania się;
współdziała w powstawaniu prawidłowego filmu olejowego. Pierścienie o powierzchniach chromowanych (rys.
6.25^ i h) wykazują zwiększoną odporność na zużycie cierne. Powlekanie galwaniczne powierzchni czołowej
pierścienia cienką warstwą miedzi  do 0/20 mm (rys. 6.25i, j, k) zwiększa jego zdolność szybkiego dotarcia i
zapobiega zacieraniu. Stosuje się także powlekanie galwaniczne pierścieni cienką warstwą cyny  do 0/005
mm  dla ochrony przed korozją. Zewnętrzne i wewnętrzne krawędzie pierścienia załamuje lub zaokrągla się
w sposób pokazany na rys. 6.26. w celu zmniejszenia zgarniającego olej działania pierścienia.
Wymiary pierścienia (b i h) zależą od rodzaju silnika i stopnia jego obciążenia cieplnego, średnicy cylindra oraz
wymaganej sprężystości pierścienia. Wyższe pierścienie (duża powierzchnia styku z gładzią cylindrową)
zapewniają niższe temperatury tłoka i samych pierścieni, lecz jako cięższe mająskłonność do trzepotania, co
powoduje wybijanie rowków pierścieniowych. Trzepotanie pierścieni objawia się stukami występującymi w
GMP.
Nagrzewanie się pierścieni powoduje ich cieplne wydłużenie. Przecięcie pierścienia, zwane zamkiem,
umożliwia jego rozchylenie i swobodne założenie na tłok, a jednocześnie jego cieplne wydłużanie się. Luz na
zamku pierścienia ^ (rys. 6.27.), to jest odległość między jego końcami, gdy średnica zewnętrzna pierścienia
równa się średnicy nominalnej cylindra, musi być większy niż termiczny przyrost długości pierścienia. Luz ten
nie może być jednakże nadmierny, powoduje bowiem utratę szczelności pierścienia. Przykłady zamków
pokazano na rys. 6.27. Najłatwiejsze do wykonania są zamki proste lub ukośne (rys. 6.27^, b, c). Przykład na
rys. 6.27c ilustruje zamek odciążony (przekrój baryłkowy, symetryczny), stosowany w wolnoobrotowych
silnikach dwusuwowych z płukaniem szczelinowym. Przy nadmiernym sfazowaniu zamki tego typu cechuje
jednakże znaczny przedmuch i z tego względu w silnikach nowszych konstrukcji nie są stosowane. W celu
zwiększenia szczelności pierścienia stosuje się zamki zakładkowe, tzw. gazoszczelne, z zakładką płaską (rys.
6.27d) lub półokrągłą (rys. 6.27e). Na rys. 6.17 f pokazano tzw. zamek bagnetowy.
Pierścienie uszczelniające decydują w znacznym stopniu o poprawności pracy silnika i ekonomii zużycia
paliwa i oleju. Dlatego też wymagają bardzo starannej okresowej obsługi.
Pierścienie olejowe
Pierścienie olejowe stosuje się zarówno w silnikach bezwodzikowych, jak i wodzikowych, jednakże zadania,
jakie one spełniają w obu typach silników są różne.
Olej smarowy, który w nie kontrolowanych ilościach osiada w postaci mgły olejowej na gładzi cylindrowej
silnika bezwodzikowego, tylko w części jest potrzebny do smarowania zespołu tłok-tuleja, zatem cały jego
nadmiar powinien być zgarnięty do skrzyni korbowej podczas ruchu tłoka ku DMP. Zadanie to spełnia pierścień
olejowy, a  z racji swej funkcji  zwany też zgarniającym, zakładany jest na tłpk w miejscach pokazanych
na rys. 6.13.
Tuleje cylindrowe silników wodzikowych smaruje się niewielką ilością oleju doprowadzanego kroplowo na
gładz
w kilku punktach2. Celowe zatem jest rozprowadzenie tego oleju po całej powierzchni gładzi cylindrowej
możliwie równomierną warstwą. Zadanie to spełnia pierścień olejowy, zwany też rozprowadzającym.
Zasadę działania i budowy pierścieni zgarniających - podczas ruchu tłoka ku GMP w klinowej szczelinie
pomiędzy gładzią cylindrową a pierścieniem następuje wzrost ciśnienia oleju wskutek efektu klina smarowego.
Składowa promieniowa P,, wypadkowej nacisku oleju na pierścień, pokonując opór promieniowy pierścienia,
ściska go. Pierścień przesuwając się ku GMP, ślizga się po warstewce oleju, która pozostaje na gładzi
cylindrowej. Podczas ruchu tłoka ku DMP ostra krawędz
pierścienia zgarnia olej z gładzi cylindrowej.
Zgarniany olej spływa po ściance tulei cylindrowej wprost lub przez rowki w tłoku do skrzyni korbowej.
Przekroje różnych pierścieni olejowych. Najprostszy jest pierścień pokazany na rys. 6.2Sb, mający jedną
skośną powierzchnię roboczą. W silnikach średnio- i szybkoobrotowych powszechnie stosuje się pierścień
olejowy z dwoma zgarniającymi krawędziami. Krawędzie zgarniające mogą być prostokątne lub ostrokątne.
Przykład pierścienia rozprowadzającego - nacięte na czołowej powierzchni pierścienia ukośne rowki powodują
obwodowy ruch oleju, co łącznie z ruchem osiowym pierścienia umożliwia rozprowadzenie oleju cylindrowego
po całej gładzi.
Pierścienie uszczelniające decydują w znacznym stopniu o poprawności pracy silnika i ekonomii zużycia
paliwa i oleju. Dlatego też wymagają bardzo starannej okresowej obsługi.
Pierścienie olejowe
Pierścienie olejowe stosuje się zarówno w silnikach bezwodzikowych, jak i wodzikowych, jednakże zadania,
jakie one spełniają w obu typach silników są różne.
Olej smarowy, który w nie kontrolowanych ilościach osiada w postaci mgły olejowej na gładzi cylindrowej
silnika bezwodzikowego, tylko w części jest potrzebny do smarowania zespołu tłok-tuleja, zatem cały jego
nadmiar powinien być zgarnięty do skrzyni korbowej podczas ruchu tłoka ku DMP. Zadanie to spełnia pierścień
olejowy, a  z racji swej funkcji  zwany też zgarniającym, zakładany jest na tłpk w miejscach pokazanych
na rys. 6.13.
Tuleje cylindrowe silników wodzikowych smaruje się niewielką ilością oleju doprowadzanego kroplowo na
gładz
w kilku punktach2. Celowe zatem jest rozprowadzenie tego oleju po całej powierzchni gładzi cylindrowej
możliwie równomierną warstwą. Zadanie to spełnia pierścień olejowy, zwany też rozprowadzającym.
Zasadę działania i budowy pierścieni zgarniających - podczas ruchu tłoka ku GMP w klinowej szczelinie
pomiędzy gładzią cylindrową a pierścieniem następuje wzrost ciśnienia oleju wskutek efektu klina smarowego.
Składowa promieniowa P,, wypadkowej nacisku oleju na pierścień, pokonując opór promieniowy pierścienia,
ściska go. Pierścień przesuwając się ku GMP, ślizga się po warstewce oleju, która pozostaje na gładzi
cylindrowej. Podczas ruchu tłoka ku DMP ostra krawędz
pierścienia zgarnia olej z gładzi cylindrowej.
Zgarniany olej spływa po ściance tulei cylindrowej wprost lub przez rowki l w tłoku do skrzyni korbowej.
Najprostszy jest pierścień, mający jedną skośną powierzchnię roboczą. Podobne w wykonaniu są pierścienie. W
silnikach średnio- i szybkoobrotowych powszechnie stosuje się pierścień olejowy z dwoma zgarniającymi
krawędziami. Krawędzie zgarniające mogą być prostokątne lub ostrokątne.
Przykład pierścienia rozprowadzającego - nacięte na czołowej powierzchni pierścienia ukośne rowki powodują
obwodowy ruch oleju, co łącznie z ruchem osiowym pierścienia umożliwia rozprowadzenie oleju cylindrowego
po całej gładzi.
Pierścienie uszczelniające decydują w znacznym stopniu o poprawności pracy silnika i ekonomii zużycia
paliwa i oleju. Dlatego też wymagają bardzo starannej okresowej obsługi.
Pierścienie prowadzące
Tłoki niektórych typów okrętowych silników spalinowych mają w części prowadzącej brązowe pierścienie
prowadzące w liczbie 2-4 sztuk. W pierścienie takie mogą być wyposażone tłoki silników bezwodzikowych, ale
częściej spotyka się je na tłokach silników wodzikowych. W silnikach wodzikowych przeważającą część siły
poprzecznej PJV przenosi wodzik na prowadnicę. Pomimo tego tłok wywiera dość znaczny nacisk na tuleję
cylindrową dlatego celowe jest dodatkowe prowadzenie Rys. 6.30. Przekrój przez rowek tłoka w tulei.
w tłoku i pierścień prowadzący:
W pierwszym okresie pracy gdy tłok i tuleja a) przed zakuciem; b) po zakuciu cylindrowa nie są jeszcze dotarte
wskutek miejscowych dużych nacisków przy dość znacznych średnich prędkościach tłoka (Cśr=6-10 m/s) mogą
występować lokalne zatarcia, które w szczególnych okolicznościach mogą doprowadzić di zatarcia tłoka w
tulei. Głównym zadaniem brązowych pierścieni prowadzących Jest zatem zabezpieczenie części
prowadzącej tłoka przed bezpośrednim tarciem (stykiem) o gładz
tulei do czasu ich wzajemnego dotarcia.
Pierścienie 2 brązu ścierają się szybciej od żeliwnych łatwo dopasowują się do nierówności tulei i przy
odpowiednio dobranej strukturze materiału zabezpieczają tłok przed zatarciem w okresie docierania.
Jako materiał na pierścienie prowadzące stosuje się brązy cynowe (9,0-11,0%) z dodatkiem ołowiu (9,0-
11,0%).
Pierścień prowadzący dwu- lub trzyczęściowy mocuje się na tłoku, w obwodowym rowku o trapezowym
przekroju przez zakuwanie  młotkowanie. Przekrój rowka i pierścienia przed i po zakuciu pokazano na rys.
6.30.