Уплотнение пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания

 

Сущность изобретения: направляющий цилиндр выполнен из чугуна, уп лонительные кольца поршня - из стали неразрезными и установлены в коли честве не менее трех в ступенчатую проточку, выполненную на поршне, в чередующемся порядке с диаметральными зазорами. Зазоры равны соответственно - первое и последующее нечетные кольца с поверхностью цилиндра 0,00018-0,0.0025 D, с поверхностью проточки на поршне 0,004-0,008 D. Четные кольца установлены с нулевым зазором или натягом с поверхностью проточки и с зазором 0,004-0,008 D с поверхностью цилиндра. Кольца установлены вдоль оси поршня с образованием плотного соединения между торцовыми поверхностями проточки и L-образного стопорного кольца. Кольца выполнены прямоугольного сечения высотой 0,015-0,300 D и шириной 0,020- 0,040 D, где D - диаметр цилиндра. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю F 16 J 9/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

Н А BTOPCH0INV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 4871610/29 (22) 05,08.90 (46) 07.06.93. Бюл. 4 21 (71) Новочеркасский политехнический институт им. Серго Орджоникидзе (72) В.Г.Передерий, В,И.Кравченко, H.Т.Нердицкий, И.А.Кособоков и В.В.Кравченко (56) Пульманов Н.В. Дизель-компрессоре со свободно движущимися поршнями. М..: Машиностроение, 1959, с. 201 фиг.97а. (54) УПЛОТНЕНИЕ ПАРЫ ПОРШЕНЬ-ЦИЛИНДР

ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Сущность изобретения: направляющий цилиндр выполнен из чугуна, уплонительные кольца поршня - из стали неразреэными и установлены в количестве не менее трех в ступенчатую

Изобретение относится к машиностроению и может быть. использовано во всех отраслях народного хозяйства для уплотнения пары поршень-цилиндр, работающей в условиях повышенных давлений, температур рабочего тела и относительных скоростей скольжения трув,ихся поверхностей, преимущественно в поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Известны уплотнения пары поршеньцилиндр двигателей внутреннего сгора" ния, предназначенные для создания герметичности надпоршневого объема камеры с рабочим телом и определяющие надежность и экономичность двигателя. Даже незначительные износы эле„„5U„, 1820109 А1 проточку, выполненную на поршне, в чередующемся порядке с диаметральными зазорами. Зазоры равны соответственно - первое и последующее нечетные кольца с поверхностью цилиндра

0,00018-0,00025 D, с поверхностью проточки на поршне 0,004-0,008 D.

Четные кольца установлены с нулевым зазором или натягом с поверхностью проточки и с зазором 0,004-0,008 D с поверхностью цилиндра. Кольца установлены вдоль оси поршня с образованием плотного соединения между торцовыми поверхностями проточки и L-образного стопорного кольца. Кольца выполнены прямоугольного сечения высотой 0,015-0,300 D и шириной 0,0200,040 D, где D — диаметр цилиндра.

1 ил.

° юв ментов таких уплотнений существенно Q© .снижают исходные технико-экономичес- Я, кие показатели двигателей внутреннего С1

:сгорания (см. Устинов А.Н. Исследова-

we поршневых колец дизелей, Изд.

Сарат.ун-та, Саратов, 1974}.

Известны также уплотнения пары поршень-цилиндр, содержащие направляющий цилиндр и поршень, содержащий отдельные специальные канавки, в каждую из которых установлены с зазорами подвижные разреэные упругие кольца прижатые к .поверхности направляющего цилиндра силами упругости и давлением рабачего тела со стороны радиального зазора внутри канавок поршня (см. Пульманов Н.В. Дизель-компрессо1820t 09.!

ЗО долговечности уплотнения пары пор- 45 шень-цилиндр в условиях повышенных

Для достижения этой . цели в извест- 50

3 ры со свободно движущимися поршнями, И.: Машиностроение, 1959, с. 201, Юг.97 а).

Разрезные упругие кольца уплотне- ния вызывают неравномерный износ поверхности направляющего цилиндра вдоль его оси, образуя на ней различные формы овалов с разными радиусами кривизны-, конусности и т.п, что приводит к образованию просветов в зонах замков (разрезов) и на других участках уплотнительных колец и поверхности направляющего цилиндра, к снижению герметичности уплотнения и ухудшению технико-экономических по" казателей двигателя.

При повышении параметров рабочего тела в известном уплотнении пары поршень-цилиндр снижаются прочность и работоспособность разрезных уплотнительных колец, существенно возрастают работа сил трения в паре поршеньцилиндр, что приводит к интенсивному и неравномерному изнашиванию трущихся поверхностей направляющего цилиндра и уплотнительных колец, изменения" ми их геометрических форм, изнашиванию и потере уплотнительных свойств колец. При повышенных скоростях возвратно-поступательного движения поршня осевая подвижность колец вызывает также изнашивание и изменение геометрической формы канавок на поршне для уплотнительных колец, что способствует повышению вибрации колец и дальнейшей потере герметичности и проч- " ности такого уплотнительного соединения, возрастанию потерь смазочного масла "на угар", снижению работоспособности м долговечности уплотнения пары поршень-цилиндр двигателя.

Целью настоящего изобретения является повышение работоспособности и давлений, температур рабочего тела и относительных скоростей скольжения трущихся поверхностей.: ном уплотнении пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания, содержащем направляющий цилиндр и пор шень .с уплотнительными кольцами, оно снабжено L-образным стопорным коль цом, цилиндр выполнен из чугуна, а уплотнительные кольца выполнены из стали неразрезными и установлены в количестве не менее трех в ступенчатую проточку, выполненную на,поршне,, в чередующемся порядке с дчаметральными зазорами равными соответственно: первое» последующие нечетные кольца с поверхностью направляющего цилиндра 0,00018...0,00025 D, с поверхностью проточки на поршне 0,004...

0,008 D, четные кольца установлены с нулевыми зазором или натягом с поверхностью проточки и с зазором

0,004...0,008 D с поверхностью направляюцего цилиндра, при этом ком- плект уплотнительных колец установлен вдоль оси поршня с образованием неподвижного соединения между торцевыми поверхностями проточки и L-образного стопорного кольца, причем уплотнительные кольца выполнены прямоугольного сечения - высотой 0,015...

0,030 Р и шириной 0,020...0,040 D где D — диаметр направляющего цилиндP8 °

Существенными отличиями такого уп" лотнения пары поршень-цилиндр являются выполнение всех уплотнительных колец нераэрезными, установка всего комплекта уплотнительных колец в общую ступенчатую проточку неподвижным соединением вдоль оси поршня, разгрузка поверхности направляющего цилиндра от сил упругости уплотнительных колец и давления рабочего тела .

Современным машиностроением хорошо освоены точные подвижные соедине-. ния гладких цилиндрических элементов с гарантированным зазором типа Н7/g 6

ГОСТ 25347-82. На основе этих точных. посадок реализовано сопряжение первого и последующих нечетных неразрез40 .ных уплотнительных колец с поверхнос" тью направляющего цилиндра с гарантированным зазором 0,00018...0,000250.

При работе двигателя элементы уп лотнения нагреваются и величины зазо.ров в уплотнении изменяются в соответствии со значениями коэффициентов линейного расширения кольца ю(к, направляющего цилиндра Мц и перепадов температур при нагревах кольцах ЬТ и направляющего цилиндра ЬТц:

Й (0,00018...0,00025) D +

+ (ацЬт, " К» Ь Т„) D. уплотнительные качества пары пор» шень-цилиндр оцениваются по величине утечек рабочего тела через зазоры: я06 Р 3

° q - — - =---- -(t + -Р)

Ч 96 f0iht, 2

18201

09 где D — диаметр цилиндра;

Ь - диаметральный зазор в паре поршень-цилиндр;

Р - перепад давления по длине зазора, ц - динамический коэффициент вязкости рабочего тела — число уплотнительных колец;

h< - осевая высота кольца;

Е - относительный эксцентриситет уплотнительного кольца в на- . правляющем цилиндре: при совпадении осей уплотнительных колец и направляющего цилинд-.qs ра Я = О, при максимальном . радиальном смещении уплотнительных колец в зазоре до соприкосновения с поверхностью направляющего цилиндра Е = 1. 20

Для материалов деталей уплотнения:

- направляющий цилиндр - серый чугун СЧ25 ГОСТ 1412-79, 0(ц = 12,2 »( х10, К", I () мин мз/с (л/мин)

0,000465 (27,9)

0,000552 (33,12)

0,000941 (56,4)

0,00148 (88,73)

0,00166 (99,36) мм

0,0323

0,0342

0,04085

0,0475

0,0493

С „„„,ц,,мз/с (л/мин)

0,0000339 (2,03)

0,0000513 (3,07)

0,000151 (9,05) о,ооо33 (19,78)

0,00045 (27) MH

0,0135

0,0155

0,0222

О, 0288

0,03О

QJJALoKc M3/c (л/мин) .

0,0000847 (5,082)

0,000128 (7,69)

0,000377 (22,63)

0,000824 (49,44)

О, 00113 (67,5)

t базовым серийным уплотнением, утечки

4g рабочего тела возрастают в 1,65...

4 раза (см. Устинов А.Н....с.27), что ухудшает пусковые качества и экономичность двигателя.

45 Зазоры между нечетными уплотнительными кольцами и поверхностью про" точки поршня, а также четных колец с поверхностью направляющего цилиндра

Ь = (0,004...0,008) D компенсируют

Я) тепловое расширение головки поршня и разгружают уплотнительные кольца от нагрузки нормальной силой при перекладке поршня в зазоре его направ" ляющей части и выполнены на основе у» посадки 89/е8 ГОСТ 25347-82 так, чтобыВ bTn D + Ь (H9/е8) C (0,004... ...0,008) D. При М»» = 12 10, К

ЬТ»» = 250 К и D = 190 мм имеем 121 х 10 250 190 + (0,100.. ° 0,287)с о »мо... мз/с (л/мин)

О, оо l б (69, 75)

0,00138 (82,8)

0,00235 (141)

0,0037 (222)

0,00414 (248,4) Запредельные значения зазоров в сопряжении уплотнения

Ь р(((ц = 0,00017 D 0,00017 ° 190

0,0323 мм, Ь в»,»»» 0,0135 мм, d м(»к = 0,00026 D = 0,00026 190

= 0,0493 мм, Ьмвк = 0,030 мм..

Таким образом, запредельные значения зазоров Ь »(»»»в 0,00017 D при рабочем нагреве элементов уплотнения выходят за границы наиболее предпочтительной посадки k7/вб, что связано с ухудшением технологичности конструкции уплотнения, повышением вероятности эадиров сопрягаемых поверхностей при эксплуатации, снижением надежности и долговечности уплотнения.

Значения запредельных зазоров Ь („

0,00026 0 существенно снижают герметичность уплотнения, в сравнении с уплотнительное кольцо — сталь

4охФА гост 4543-71, o(»,. = 11-10 6, к при D = 190 мм, перепадах температур: ДТ = 193 К и Л Т = 223 К (см. Устинов- Л; Н.... с. 120), h „ = (О,о15...о,030) D = (0,015... ...О,С(30) 190 = 3 мм, принимаем

= 3, тогда при перепаде давления рабочего тела по длине зазора 5 кг/см2 (см. Устинов Л.Н....с.28) и динамическом коз »фициенте вязкости рабочего тела p = 2,5 10 кгс/м2, рассмотрим основные параметры нового уплотнения:

Ь - зазоры при нормальном тепловом состоянии уплотнения;

Ь вЂ” зазоры при нагреве деталей уплотнения (Ц м1(„ - утечки рабочего тела через зазоры при E. = 0;

Чум0к. 0> мОкс утечки р бочего тела через зазоры при E, = l.

1820109 (0,004...0,008) ° 190, т.е. (0,670.. ° ...0,857) ((0,760...1,520) °

На чертеже изображен общий вид уплотнения пары поршень-цилиндр двига5 теля внутреннего сгорания.

Уплотнение содержит направляющий цилиндр 1 диаметром D и поршень 2 со ступенчатой проточко" со стороны надпоршневого объема камеры с рабочим телом, на которую поочередно установлены нераэреэные нечетные кольца 3 и четные кольца 4, нижнее кольцо 4 опирается на торцевую поверхность ступенчатой проточки поршня 2, à верх нее кольцо 3 опирается на торцевую поверхность L-образного разрезного стопорного кольца 5, ограничивающих осевую подвижность комплекта уппотни-:. тельных колец 3 и 4, образующих поочередно диаметральные зазоры: первое и последующие нечетные кольца 3 с поверхностью направляющего цилиндра

0,00018...0,00025 D, с поверхностью проточки поршня 2, 0,004...0,008 9, второе и последуюцие четные кольца 4 установлены с нулевыми зазором или натягом с поверхностью проточки порш" нл 2, образуя при этом с поверхнос" тью направляющего цилиндра 1 зазоры " щ (0,004...0,008) D. При прямоугольном поперечном сечении уплотнительных колец 3 их высота вдоль оси составляет (0,015...0,030) Р, ширина (0,020... ...0,01 O) В.

Уплотнение работает следующим об-: разом. При движении поршня 2 основная ориентация осевого положения.(со- осность) уплотнительных .колец 3, 4 в . . комплекте уплотнения относительно 4О оси поверхности направляющего ци- . линдра 1 обеспечивается направляющей частью поршня .2 и автоматически кор. ректируется в процессе работы за счет перекладок поршня . в зазоре его на- .45 правллющей части и упругих свойств . неразреэных нечетных уплотнительных. колец 3. Это создает практически бес-. контактные. условия уплотнения в про" .цессе работы лабиринтного комплекта уплотнительных колец. При повышении давления рабочего тела в камере над поршнем 2 комплект неразрезных колец

3, 4 образует бесконтактное лабиринтное уплотнение для потока рабочего

:тела в чередуюцихся .различных по величине зазорах между кольцами 3, 4 и поверхностью направляющего цилиндра

1, резко изменяющими проходные сечения на пути потока рабочего тела вдоль оси уплотнения. Гидродинамическое сопротивление потоку рабочего тела создается на участках с минималь— ными зазорами у первого и последующих нечетных колец 3, а увеличенные зазоры у второго и последующих четных колец 4 вызывают потери напора вследствие деформации от расширения и тре-. ния потока утечек рабочего тела в зазорах.

Такое бесконтактное лабиринтное уплотнение пары поршень-цилиндр при работе двигателя в условиях повышенных давлений, температур рабочего тела и относительных скоростей скольжения поверхностей обладает. достаточно высокой прочностью, надежно и длительно сохраняет геометрические параметры сопрлженных поверхностей элементов. уплотнения, на 30... 403 снижает потери на трение в паре поршеньцилиндр, повышает эффективность уплотнения, надежность и долговечность его.основных элементов. Это обусловлено повышенными прочностью и жесткостью неразрезных уплотнительных колец и стабилизацией геометрических параметров уплотнения. Поступление смазочного масла с поверхности направляющего цилиндра в зазоры кольцевого лабиринта существенно повышает эффект уплотнения и снижает работу трения.

Снижение работы трения и повышение уплотнительных свойств пары Ilop шень-цилиндр в поршневых двигателях внутреннего сгорания позволяет существенно снизить удельные эффективные расходы топлива и смазочного масла, что обеспечивает высокий экономический эффект от внедрения в различные отрасли народного хозяйства двигателей внутреннего сгорания с таким ,уплотнением пары поршень-цилиндр.

Прийцип нераэрезных уплотнительных колец устанавливаемых в общую ступенчатую проточку, существенно упрощает технологию производства элементов комплекта уплотнения пары поршеньцилиндр при достижении более высокой точности их геометрических форм, обеспечивает высокую прочность, ремонтопригодность и снижает затраты на эксплуатацию, ремонт уплотнения, двигателя Ь целом. Снижение потерь на трение в паре поршень-цилиндр, снижа1820109

10 ет эффективный расход топлива на

6...1ОФ.

Формула изобретения.Уюзф7.

Раж йЖ РГ

Составитель В.Передерий

Техред И.йоргентал Корректор И.Керецман

Редактор Т.Федотов

М

Заказ 2017 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

° Ю ЮМАМ

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул, Гагарина, 10 1.

Уплотнение пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания, содержащее направляющий цилиндр и пор шень с уплотнительными кольцами, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено L-образным стопорным кольцом, цилиндр выполнен из чугуна, а уплотнительные кольца выполнены из стали неразрезными и установлены в количестве не менее трех в ступенча,тую проточку, выполненную на поршне, в чередующемся порядке с диаметраль ными зазорами равными, соответствен-, но первое и последующие нечетные кольца с поверхностью направляющего цилиндра - (0,00018-0,00025) D, где

D — лиаметр цилиндра, с поверхностью проточки на поршне - (0,004-0,008) D, четные кольца установлены с нулевым зазором или натягом с поверхностью проточки и с зазором (0,004-0,008) 9 с поверхностью направляющего цилиндра, при этом уплотнительные кольца установлены вдоль оси поршня с a6pa— зованием плотного соединения между торцевыми поверхностями проточки и

L-образного стопорного кольца, причем уплотнительные кольца выполнены прямоугольного сечения высотой (0,015-0,030) D и шириной - (0,0200,040) D.