Уплотнение пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания

 

Сущность изобретения: жаростойкая кольцевая вставка поршня размещена -в ступенчатой проточке, выполненной в поршне. Цилиндр выполнен из чугуна . Уплотнительные кольца выполнены из стали неразрезными и установлены в количестве не менее трех в проточке в вставке с чередующимися диаметральными зазорами. Четные кольца установлены с нулевым зазором или натягом с поверхностью проточки, с зазором с поверхностью направляющего цилиндра. Уплотнительные кольца установлены вдоль оси поршня с образованием неподвижного соединения между торцовыми поверхностями проточки вставки и L-образного стопорного кольца. Часть уплотнительных колец выполнена прямоугольного сечения. Вставка установлена с образованием зазора с несущей частью L-образного кольца. 3 ил. СЛ С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (н) F l6 3 9/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4896480/29 (22) 26.12.90 (46) 07.06.93. Бюл. " 2i (71) Новочеркасский политехнический институт им. Серго ОрджоникИдзе (72) В.Г.Передерий, B.È.Êðàâ÷åíêî, .Н.Т.)<ердицкий, И.Л.Кособоков и В.В,Кравченко (56) Пульманов H.Â. Дизель-компрессоры со свободно движущимися поршнями, М.: Машиностроение, 1959, с. 201, иг. 9?а. (54) УПЛОТНЕНИЕ ПАРЫ ПОРЫЕНЬ-ЦИЛИНДР

ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Сущность изобретения: жаростойкая кольцевая вставка поршня размещена -в ступенчатой проточке, выполненной в поршне. Цилиндр выполнен из чуИзобретение относится к машино-. строению 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 трущихся поверхностей, преимущественно в поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Известны уплотнения пары поршеньцилиндр двигателей внутреннего .сгорания, предназначенные для создания герметичности надпоршневого объема, камеры с рабочим телом и определяющие надежность и экономичность двигателя.

Даже незначительные износы элементов таких уплотнений существенно снижают

„„Я „„1820110A 3 гуна. Уплотнительные кольца выполнены из стали неразрезными и установлены в количестве не менее трех в проточке. в вставке с чередующимися диаметральными зазорами. Четные кольца установлены с нулевым зазором или натягом с поверхностью проточки, с зазором с поверхностью направляющего цилиндра. Уплотнительные кольца установлены вдоль оси поршня с образованием неподвижного соединения между торцовыми поверхностями проточки вставки и L-образного стопорного кольца. Часть уплотнительных колец выполнена прямоугольного сечения.

Вставка- установлена с образованием зазора с несущей частью 1.-образного кольца. 3 ил, исходные технико-экономические показатели двигателей внутреннего сгорания (см. Устинов А.Н. Исследование поршневых колец дизелей. Изд. Сарат. ун-та, Саратов, 1974).. При высоких давлениях и температурах рабочего тела канавки для уплотнительннх колец могут выполняться на специальных. жаростойких вставках на поршнях (см. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова, М.:

Машиностроение, 1990, с. 69), причем первое уплотнительнае кольцо может иметь 1.-образную .йорму (см. Пульманов Н.В. Дизель-компрессоры со сво1820110 бодно движущимися поршнями, М.: Машиностроение, 1959, г,. 191, Фиг. 92).

Известны также уплотнения пары поршень-цилиндр, содержащие направ- 5 ляющий цилиндр и поршень, имеющий otдельные специальные канавки, в каждую из которых установлены с зазорами подвижные разрезные упругие кольца, прижатые к поверхности направляю- 10 щего цилиндра силами упругости .и давлением рабочего тела со стороны радиального зазора внутри канавок поршня (см. Пульманов Н.В..Дизелькомпрессоры со свободно движущимися поршнями, М.: Машиностроение, 1959, с.. 201, фиг. 97а).

Разрезные упругие кольца уплотнения вызывают неравномерный износ no". верхности направляющего цилиндра 20 вдоль его оси, образуя на ней различные.формы овалов с разными радиусами кривизны, конусности и т.п., что при" . водит к образованию просветов в зонах замков (разрезов) и на других участках уплотнительных колец и поверхнос-. ти направляющего цилиндра, к сниженйю герметичности уплотнения и ухудшению технико-экономических показателей двигателя. ЗО

При повышении параметров рабочего тела в известном уплотнении пары поршень-цилиндр снижаются прочность и работоспособность разрезных уплотни- . тельных колец, существенно возрастает 3$ работа сил трения в паре поршень-цилиндр, что .приводит к интенсивному и неравномерному износу трущихся по- верхностей направляющего цилиндра и уплотнительных колец, изменениям их. 40 геометрических форм, износу .и потере уплотнительных свойств колец. При повышенных скоростях возрратно"поступа-! тельного движения поршня осевая подвижность колец вызывает также износ 45 и изменение геометрической формы канавок на поршне для уплотнительных колец, что способствует повышению вибрации колец и дальнейшей потере герметичности и, прочности такого yn" лотнительного соединения, возрастанию потерь смазочного масла на угар, снижению работоспособности и долговечности уплотнения пары поршень-цилиндр двигателя;

Цель изобретения - повышение ра.ботоспособности и долговечности уплотнения пары поршень-цилиндр в условиях повышенных давлений, темпера-, тур рабочего тела и относительных скоростей скольжения трущихся поверхностей.

Для достижения этой цели в известном уплотнении пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания, содержащем направляющий цилиндр и поршень с уплотнительными кольцами, оно снабжено Ь-образным стопорным кольцом и жаростойкой вставкой, размещенной в ступенчатой проточке, выполненной в поршне, цилиндр выполнен из чугуна, а уплотнительные кольца выполнены из стали неразрезными и установлены в количестве не менее трех в ступенчатой проточке, выполненной на жаростойкой кольцевой вставке, с чередующимися диаметральными заЗорами, равными соответственно: первое и последующие нечетные кольца с поверхностью направляющего цилиндра (0,00018 ...0,00025)D, с поверхностью проточки на жаростойкой вставке (0,004...

0,008)D, четные кольца установлены с нулевым зазором или натягом с поверхностью проточки на жаростойкой вставке и с зазором (0,004...0,008)D с поверхностью направляющего цилиндра, при этом комплект уплотнительных колец установлен вдоль оси поршня с образованием неподвижного соединения между. торцовыми поверхностями ступенчатой проточки на жаростойкой вставке и L-образного стопорного кольца, при этом часть уплотнительных колец выполнена прямоугольного сечения - высотой (0,015... 0,030)9 и шириной

{0,020...0,0ii0)D, а часть Ь"образного сечения с внутренней. кольцевой вставкой, высота последних равна

{0,040 ° ..0,080)D, ширина их выступающей части, контактирующей с nosepx- ностью направляющего цилиндра, равна

{0,010.;.0,020)D, высота внутренней .кольцевой вставки {0,025...0,040)D, вставка установлена с нулевым зазором или натягом с поверхностью про.точки на жаростойкой вставке и с образованием зазора (0,004...0,008)D с выступающей частью L-образного уплотнительного кольца, где D - диаметр направляющего цилиндра.

Существенными отличиями такого уплотнения пары поршень-цилиндр являютcR выполнение всех уплотнительных колец неразрезными, установка всего комплекта уплотнительных колец в общую ступенчатую проточку неподвижным, 1820110 соединением вдоль оси поршня, раз- число уплотнительных колец: грузка поверхности направляющего ци- h — осевая высота кольца; линдра от сил упругости уплотнитель- 1, - относительный эксцентриситет ных колец и давления рабочего тела. уплотнительного кольца в наСовременным машиностроением хоро-: правляющем цилиндре: при сояшо освоены точные подвижные соедине- падении осей уплотнительных ния гладких цилиндрических элементов колец и направляющего цилиндс гарантированным зазором типа Н7/86 ра E, = О, при максимальном

ГОСТ 25247-82. На основе этих точных радиальном смещении уплотнипосадок реализовано сопряжение перво- тельных колец в зазоре до сого и последующих нечетных неразрез- прикосновения с поверхностью ных уплотнительных колец с поверхнос- направляющего цилиндра E = 1. тью направляющеro цилиндра с гаран- Для материалов деталей уплотнения: тированным зазором (0,00018... Eg - направллющий цилиндр - серый чу0,00025)1). гун СЧ25 ГОСТ 1412-79, o(= 12,2 "

При работе двигателя элементы уп- xEO-, К лотнения нагреваются, и величины зазо- уплотнительное кольцо - сталь ров в уплотнении изменяются в соот- 40хфА гост 4543-71, oc„ 11 Eo-, ветствии со значениями коэффициентов 20 К", линейного расширения кольца 0(на- при D = 190 мм, перепадах темпеправляющего цилиндра о(ц, и перепа- ратур: тц = 193 К и Дтк = 223 К (см. дов температур при нагревах кольца А.Н.Устинов...с.120), ЬТ< и направляющего цилиндра Ьтц. h g = (0,015...0,030)D = (0,015... (0,00018...0,00025)D 25: 0,030) 190 = 3 мм, пр = 3 (о(ЬТ к ЬТк)П. тогда при перепаде давления ра очего

10(U, ЬТц к ЬТк П. тела по длине зазора 5 кг/см2 (см.

Уплотнительные качества пары. пор- Устинов А.Н..„.c,28) и динамическом шень-цилиндр оцениваются по величине коэффициенте вязкости рабочего тела утечек рабочего тела через зазоры: ЗО р = 2,5.10 кгс/м2, рассмот рим основ".О э Р ные параметры нового уплотнения:

0 - - ------,(1 + — -- 2j

6 — зазоры при нормальном теплогде D — диаметр, цилиндра; вом состоянии уплотнения;

d — диаметральный зазор в паре 5 — зазоры при нагреве деталей уппоршень-цилиндр; лотненил;

Р - перепад давления по длине за- 0умцн 0у мин Утечки Рабочего тезора; ла через зазоры при с = О, 1ч - динамический коэффициент вяз- 0„ „, 0„„, — утечки рабочего кости рабочего тела;

40 тела через зазоры при Б =. 1, ! мм а, MM Яу м„„, мз/c (Jl/мин) Оу м„н, M3/ñ (л/мин)

0,0323 0,0135 0,000465 (27,9) 0,0000339 (2,03)

0,0342 0,0155 0,000552 (33,12) 0,0000513 (3,07).

0,04085 0,0222 0,000941 (56,4) 0,000151 ) 9,05)

0,0475 0,0288 0,00148 (88,73) 0,00033 (19,78)

0,0493 0,030 0,00166 (99,36) 0,00045 (27) I

Оу д„,, мз/с (л/мин)

О, О 016 (69, 75)

0,00138 (82,8)

0,00235 (141)

0,0037 (222)

О,ОО414 (248,4) Запредельные значения зазоров в сопряжении уплотнения составляют:

< мин = 0 00017 D = 0,00017 190 =

= 0,0323 мм, мин = 0,0135 мм, 0у haa«c м /с (fl/ìèH)

0,0000847 {5,082)

0,000128 (7,69)

0,000377 (22,63)

0,000824 (49.,44)

0,00113 (67,5)

55 4 макс = 0,00026 Э = 0,00026 190

= 0,0493 мм, 6 макс= О 030 мм.

Таким образом, запредельные значения зазоров Ь,„ян = 0,00017 D при ра"

182011О бочем нагреве элементов уплотнения выходят эа границы наиболее предпочтительной посадки Н7/р6, что связано с ухудшением технологичности конструкции уплотнения, повышением вероятности задиров сопрягаемых поверхностей при эксплуатации, снижением надежности и долговечности уплотнения.

Значения запредельных зазоров d,„р

= 0,00026 D существенно снижают герметичность уплотнения, в сравнении с базовым серийным уплотнением, утечки рабочего тела возрастают в 1,65...

4 раза (см. Устинов А.Н....c.27), что 1 ухудшает пусковые качества и эконо- . мичность двигателя.

Зазоры между нечетными уплотнительными кольцами и поверхностью проточки на жаростойкой вставке поршня, а также четных колец.с поверхностью направляющего цилиндра Д = (0,004...

0,008)D компенсируют тепловое расширение головни поршня и разгружают уплотнительные кольца от нагрузки нор-, 25 мальной силой при .перекладке поршня в зазоре его направляющей части и. выполнены на основе посадки Н9/е8

ГОСТ 25347-82 так, чтобы

С(ДT„D + d (H9/е8) с (0,004...

ЗО ...0,008) D.

Пр" в = 12 10 К э dTn= 250 К и D = 190 мм, имеем 12 10 250» х 190 + (0,100...0,287) с (0,004... ...0,008). 190, т.е. (0,670...0,857) с (0,760...1,520).

На фиг.1-3 изображено уплотнение пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания. 40

Уплотнение содержит направляющий цилиндр.1 диаметром 9 и поршень 2 с жаростойкой вставкой 6 со ступенчатой проточкой со стороны надпоршневого объема камеры с рабочим телом, Щ на которую поочередно установлены не раэрезные нечетные кольца 3 и четные кольца 4, нижнее кольцо 4 опирается на торцовую поверхность ступенчатой проточки жаростойкой вставки 6, а 5О верхнее кольцо 3 - на торцовую поверхность Т.-образного разрезного стопорного кольца 5, ограничивающего осевую подвижность комплекта уплотнительных колец 3 и 4, образующих поочередно диаметральные зазоры: первое и последующие нечетные кольца 3 с поверхностью направляющего цилиндра

1, (0,00018...0,00025)D, с поверхностью проточки жаростойкой вставки 6 (0,004...0,008)D; второе и последующие четные кольца 4 установлены с нулевыми зазором или натягом с поверхностью проточки на жаростойкой вставке, образуя при этом с поверхностью направляющего цилиндра 1 зазоры (0,004...0,008)0. При прямоугольном поперечном сечении уплотнительных колец 3 их высота вдоль оси кольца составляет (0,015. 0,020)D, ширина (0,020...0,040)D. Повышение герметичности уплотнения при ограниченном количестве колец в комплекте достигается установкой неразрезных уплотнительных колец 7 сечением L-образной формы с внутренней кольцевой вставкой

G. Общая высота L-образнога уплонитель-:, ного кольца 7 вдоль оси (0,040...

0,080)D, радиальная толщина его выступающей части (0,010...0,020)D, высота внутренней кольцевой вставки (0,025...0,040)D, кольцевая вставка образует нулевой зазор или натяг с поверхностью проточки на жаростойкой вставке поршня и зазор (0,004...

0,008)Р с внутренней поверхностью выступающей части уплотнительного кольца L-образного сечения.

Уплотнение работает следующим образом. При движении поршня 2 основ" ная ориентация осевого положения (соосность) уплотнительных колец 3, 4 в комплекте уплотнения относительно оси поверхности направляющего цилиндра 1 обеспечивается направляющей час тью поршня 2 .и автоматически корректируется в процессе работы за счет перекладок поршня в зазоре его направляющей части и упругих свойств неразрезных нечетных уплотнительных колец 3. Это создает практически бесконтактные условия уплотнения в процессе работы лабиринтного комплек" та 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 чередующихся 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 минимальными зазорами у первого и последую1820110 щих нечетных колец 3, а увеличение зазоров у второго и последующих четных колец 4 вызывает потери напора вследствие деФормации от расширения и трения 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 скольже- ния поверхностей обладает достаточно высокой прочностью, надежно и длительно сохраняет геометрические пара 1 метры. сопряженных поверхностей эле" ментов уплотнения, на 30...404 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 я5 смазочного масла с поверхности направляющего цилиндра в зазоры кольце-. вого лабиринта существенно повышает эффект уплот:-ения и снижает работу трения. 30

Снижение работы трения и повышеwe уплотни"ельны". свойств пары поршень-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, Принцип неразрезных уплотнительных колец, устанавливаемых в общую ступенчатую проточку, существенно упроща" ет технологию производства элементов комплекта уплотнения пары поршеньцилиндр при достижении более высокой точности их геометрических форм, обеспечивает высокую прочность: ремон . топригодность и снижает затраты на эксплуатацию, ремонт уплотнения, дви- 50 гателя в целом. Снижение потерь на трение в паре поршень-цилиндр, снижает удельный расход топлива на 6

1Oz, Формула изобретения

Уплотнение пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания, содержащий направляющий цилиндр и поршень с уплотнительными кольцами, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено L-образным стопорным кольцом и жаростойкой кольцевой вставкой поршня, размешенной в .ступенчатой проточке, выполненной в поршне, цилиндр выполнен из чугуна, а уплотнительные кольца выполнены из стали неразрезными и установлены в количестве не менее трех в ступенчатой проточке, выполненной в жаростойкой кольцевой вставке, с чередующимися диаметральными зазорами, равными соответственно: первое и последующие .нечетные кольца с поверхностью направляющего цилиндра (0,000180,00025)0, где D - диаметр направляющего цилиндра, с поверхностью проточки на жаростойкой вставке — (0,004»»

0,008)D, четные кольца уста солены с нулевым зазором или натягом с поверхностью проточки на жаростойкм вставке, с зазором - (0,004-0,OC 10 - с поверхностью направляющего цилиндра„ причем уплотнительные кольца установлены вдоль ° оси поршня с образованием неподвижного соединения между торцевыми поверхностями ступенчато" проточки жаростойкой вставки и L-образного стопорного кольца при этом часть уплотнительных колец выполнена прямоугольного сечения,-а часть L-образного сечения - с внутренней кольцевой вставкой, высота последних равна (0,040-0,080)D, ширина его выступающей части, контактирующей с цилиндром - (0,010-0,020)0, высота внутренней вставки - (0,025-0,040) D, вставка установлена с образованием зазора с выступающей частью L -образногокольца, а уплотнительные кольца прямоугольного-сечения выполнены высотой (0,015-0,030)D и шириной (0,0200,040)9.

Составитель В.Передерий

Редактор Т.Федотов Техред И.Иоргентал Корректор И.Петрова

Заказ 2017 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, N-35, Раушская наб,, д. 4/5

Проиэаодственно-иэдательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул, Гагарина, 101