Уплотнение пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания

 

Сущность изобретения: жаровая накладка и L-образная жаростойкая стальная вставка установлены на поршне и образуют канавку под уплотни2 тельные кольца. Направляющим цилиндр выполнен из чугуна, уплотнительные кольца - из стали неразрезными и установлены в канавке в количестве не менее трех с чередующимися диамет ральными зазорами . Зазоры образованы первым и последующими нечетными кольцами с поверхностью цилиндра и равны

С0103 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sI)s F 16 1 9/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И ASTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ таких уплотнений существенно снижают исходные технико-экономические пока.затели 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 уплот- HNTeflbHblx K elI Hol T Bbl o H Tl R Ka специальных жаростойких вставках на поршнях (см. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двига лей, под ред. А.С.Орлина, И.Г.Круглова, М.:

Машиностроение, 1990, с. 69), причем первое уплотнительное кольцо может иметь 1.-образную форму, а днище поршГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 4896700/29 (22) 26.12.90 (46) 07.06-93. Бюл. Ф" 21 (71) Новочеркасский политехнический институт им. Серго Орджоникидзе (72) В.Г..Передерий, В.И.Кравченко, Н.Т.Жердицкий, И.А.Кособокое и. В.В.Кравченко

{ 56) Пульманов Н.В. Дизель-компрессоры со свободно движущимися поршнями. И.: Машиностроение, 1959, с. 201, фиг. 97а. (54) УПЛОТНЕНИЕ ПАРЫ ПОРШЕНЬ-ЦИЛИНДР

ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕ(1НЕГО СГОРАНИЯ (57) Сущность изобретения: жаровая накладка и I. — oáðàçíàÿ.жаростойкая стальная вставка установлены на .поршне и образуют, канавку под уплотниИзобретение относится к машиностроению и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства .для уплотнения пары поршень-цилиндр, работающей в условиях повышенных дав лений, температур рабочего тела и от.носительных 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

„„ЯЦ„„1820111 А1 тельные кольца. Направляющий цилиндр выполнен из чугуна, уплотнительные кольца - из стали неразрезными и установлены в канавке в количестве не менее трех с чередующимися диаметральными зазорами. Зазоры образованы первым и последующими нечетными кольцами с поверхностью цилиндра и равны (0,00018-0,00025)I), с поверхностью вставки {0,004.-0,008)D. Последующие четные кольца установлены с нулевым зазором или натягом с поверхностью вставки и с зазором (0,004-0,006)0 с поверхностью цилиндра; Уплотнитепьные кольца установлены вдоль оси поршня с образованием неподвижного соединения между торцовыми поверхностями вставки и накладки. " з.п. ф-лы, 3 ил.

182п» ня - Форму жаровой накладки (см.

Пупьсанон Н.R. Ризеп †- комноессоры co I свободно движущимися поршнями, M„:

Машиностроение, 1959, с. 191, фиг.92, с. 193, фиг.94.).

Известны также уплотнения пары поршень-цилиндр, содержащие направляющие цилиндр и поршень, имеющий отдельные специальные канавки, в каждую 0 из которых установлены с зазором подвижные разрезные упругие кольца прижатые к поверхности направляющего ци-: линдра силами упругости кольца и давлением рабочего тела со стороны радиального зазора внутри канавок (см.

Пульманов Н.В. Дизель-компрессор со свободно движущимися поршнями, И.:

Пашиностроение, 1959, с. 201, фиг.97а).

Разрезные упругие кольца уплотнения вызывают неравномерный износ поверхности направляющего цилиндра вдоль er.î оси, образуя на ней различ- 25 ные формы овалов с разными радиусами кривизны, конусности и т.п. что приводит к образованию просветов в зонах замков (разрезов) и других участках уплотнительных колец и поверхности 30 направляющего цилиндра, к снижению герметичности уплотнения и ухудшению технико-экономических показателей двигателя.

При повышении параметров рабочего З5 тела в известном уплотнении пары пор1 шень-цилиндр снижаются прочность и работоспособность раэрезных уплотнительных колец, существенно возраста- ет работа сил трения в паре поршень-;4{) цилиндр, что приводит к интенсивному и неравномерному износу трущихся по« верхностей направляющего цилиндра и уплотнительных колец, изменениям их геометрических форм, износу потере 45 уплотнительных свойств колец. При по" вышенных скоростях возвратно-поступательного движения поршня осевая подвижность колец вызывает также износ и изменение геометрической формы ка- 5О навок на поршне для .уплотнителькых колец, что способствует повышению вибрации колец и дальнейшей потере герметичности и прочности такого уплотнительного соединения, возраста;нию потерь смазочного масла на угар, .снижению работоспособности и долговечности уплотнения пары поршень-цилиндр двигателя.

Цель изобре таамия - повышение р (итосппс>обности и долговечносrи пары поршень-цилиндр в условиях ппвышенных давлений, температур 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 жаровой накладкой и жаростойкой стальной вставкой, установленными на поршне и образующими общую канавку для комплекта уплотнительных колец, причем цилиндр выполнен из чугуна, а уплотнительные кольца выполнены из стали неразрезными и установлены в ступенчатую проточку на жаростойкой вставке в количестве не менее трех с чередующимися диаметральными зазорами, обра.зованными первым и последующими нечетными кольцами с поверхностью направляющего цилиндра, равными (0,00018...0,00025)D, с поверхностью проточки на жаростойкой вставке (0,004...0,008)D, последующие четные кольца установлены с нулевыми зазором или натягом с поверхностью . проточки на жаростойкой вставке и с зазором (0,004...0,008)» с поверхностью направляющего цилиндра, при этом комплект уплотнительных кблец установлен вдоль оси поршня с обраэованием неподвижного соединения между торцевыми поверхностями ступенчатой, проточки на жаростойкой вставке и жаровой накладки поршня.

Уплотнительные кольца выполнены прямоугольного сечения с высотой рав ной (0,015...0,030)>> и шириной (0,020...0,040)D, при этом часть колец может выполняться прямоугольного сечения, а другие — L-образного сечения с внутренней кольцевой вставкой, высота последних равна (0,040 ...0,080)D, ширина выступающей части, контактирующей с поверхностью направляющего цилиндра (0,010...0,020)1>, при этом высота кольцевой вставки выполнена равной (0,025...0,040)D, она установлена с нулевыми зазором или натягом с поверхностью ступенчатой проточки на жаростойкой вставке и зазором (0,004...0,008)D с выступающей частью L-образного уплотнительного кольца, где D - диаметр направляющего цилиндра.

18?.0111

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

Современным машиностроением хорошо освоены точные г1одвижные соединения гладких цилиндрических элементов с гарантированным зазором типа Н7/р6

ГОСТ ?5347-82. На основе этих точных посадок реализовано сопряжение первого и последующих нечетных нераэрезных уплотнительных колец с поверхностью направляющего цилиндра с гарантированным зазором (0,00018...0,00025)D.

При работе двигателя элементы уплотнения нагреваются и величины зазоров в уплотнении изменяются в соответствии со значениями коэффициентов . линейного расширения кольца ьl„, направляющего цилиндра 0(ц и перепадов температур при нагревах кольца 4 „ и направляющего цилиндра 6Т,:

A = (0,00018...0,00025)D +

+ (ц Дтц - О{„6 т,) D.

Уплотнительные качества пары поршень-цилиндр оцениваются по величине утечек рабочего тела через зазоры:

Оу ц м /с (л/мин) о,000465(27,9)

0,000552(33,12)

0,000941(56.,4)

0»00148(88,73 )

0,00166(99,36) Qg M3/ñ(ë/ìèH)

0,0000339(2,03)

0,0000513(3,07)

0,000151(9,05)

0,00033(19,78)

0,00045(27) мм

0,0323

0,0342

0,04085

0,-0475

0,0493

А, мм

0 135

О, 0155

0,0222

0,0288

0,030

Qц маy.q м /с (л/мин)

0,0000847(5,082)

0,000128(7,69)

0,000377(22,63)

0,000824(49,44)

0,00113(67,5)..

4 мин = 0,0135 мм, А макс = О, 0002611 = О, 00026 190

0,0493 мм, 4 мак = 0,030 мм.!

Q) мдк м /ч (л/мин)

0,0016(69,75)

О,оо138(8?,8)

0,00235(141)

0,0037(222)

0,00414(248,4) к04 P 3

n = ††--.---- (1 + --- Я») Ч 96 р» h„2 где D — диаметр цилиндра; диаметральный зазор 9 паре поршень-цилиндр;

Запредельные значения зазоров в сопряжении уплотнения составляют:

4 мик = 0,00017B = 0,00017 190 =

= 0,0323 мм, 6 переплq Лаяпениг п

E. - относительный эксцентриситет уплотнительного кольца в на10 правляющем цилиндре: при совпадении осей уплотнительных колец и направляющего цилинд:,— ра -Я = О, при максимальном радиальном смещении уплотни15 тельных колец в зазоре до соприкосновения с поверхностью направляющего цилиндра

Для материалов деталей уплотнения:

20 направляющий цилиндр — серый чугун

СЧ25 ГОСТ 1412-79, 0(ц= 12,2 10

К, уплотнительное кольцо — сталь

40:фЛ ГОСТ 4543-71, ф „ = 11 10, 1

К, при D = 190 им, перепадах тем25 ператур: 4Тц = 193 V, и AT „= 2?3 (см. Устинов Л.Н.... с.!20), h к = (О,0 15...О,ОЗО)Л = (0,015-..0,030)» х 190 = 3 мм, принимаем i = 3, тогда при перепаде давления рабочего тела

30 по длине зазора 5 кг/см2 (см. Устинов Л.Н....с.28) и динамическом коэффициенте вязкости рабочего тела

= 2,5 10 ь кгс/м, рассмотрим основ( ные параметры нового уплотнения; A зазоры при нормальном тепловом состоянии уплотнения, Ь - зазоры при наI грове деталей уплотнения, О,,„„„, Q „„— утечки рабочего тела через

Ч мин

Г зазоры при Я = " Оу мокс 1 ". ма»с

40 утечки рабочего тела через зазоры при E.= 1, 1820111

Таким образом, запредельные эна ения зазоров гз миц = 0 00017D, при рабочем нагреве элементов уплотнения, выходят за границы наиболее предпочтительной посадки Н7/дб, что связано с ухудшением технологичности констоукции уплотнения, повышением вероятности эадиров сопрягаемых поверхностей при эксплуатации, снижением на- 1р дежности и долговечности уплотнения.

Эначения запредельных зазоров Ь ггг

= 0,000260 существенно снижают герметичность уплотнения, в сравнении с базовым серийным уплотнением, утечки рабочего тела возрастает в 1,65...4 раза (см. Устинов А.H....ñ.27), что ухудшает пусковые качества и эконо" мичность двигателя.

Зазоры между нечетными уплотни- 20 тельными кольцами и поверхностью проточки на жаростойкость вставке поршня, а также четных колец с поверхностью направляющего цилиндра = (0,004...0,008)п компенсируют тепловое расширение головки поршня и разгружают уплотнительные кольца от нагрузки нормальной силой при перекладке поршня в зазоре его направляющей части и выполнены на основе по- 30 садки Н9/е8 ГОСТ 25347-82 так, чтобы

Ы„А T»D + Ь (H9/е0) с (0,004...0,008)D.

При g„= 12 ° 10, К-, = 290 К и D = 190 мм, имеем 12 10 » х? 0 ° 190 + (0,100...0,287) с (0,004... 35

0,008) х190, т.е. (0,670...0 857) с с (0,760...1,520).

На фиг.1-3 изображено уплотнение пары поршень-цилиндр.

Уплотнение содержит направляющий 4р цилиндр 1 диаметром. D и составной поршень ? с жаростойкой вставкой 6 со ступенчатой проточкой со стороны надпоршневого объема камеры с рабочим телом, на которую поочередно установ- 45 лены нераэреэные кольца нечетные 3 и четные 4,; нижнее кольцо 4 опирается на торцовую поверхность ступенчатой проточки жаростойкой вставки 6, а верхнее кольцо 3 опирается на тор- 5О цовую поверхность специальной жаровой накладки 5, ограничивающих 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 нулевым зазором или натягом с поверхностью проточки на жаростойкой вставке 6, образуя при этом с поверхностью направляющего цилиндра 1 зазоры (0,004...0,008)D. При прямоугольном сечении уплотнительных колец 3,4 высота вдоль оси кольца составляет (0,015...0,030)D радиальная толщина (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 8. Общая высота L-образного уплотнительного кольца 7 вдоль его оси составляет (0,040...0,080)D, радиальная толщина его выступающей части (0,010...0,020)D, высота внутренней кольцевой вставки (0,025...0,040) О, кольцевая вставка образует нулевой зазор или натяг с поверхностью проточки на жаростойкой вставке поршня и зазор (0,004...0,008)D с внутренней поверхностью выступающей части уплотнительного кольца 1,-образного сечения.

° Уплотнение работает следующим образом. При движении поршня 2, основная ориентация осевого положения (соосность) уплотнительных колец 3, 4 в комплекте уплотнения относительно оси поверхности направляющего цилиндра 1 обеспечивается направляющей частью 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 прак ически бесконтактные условия уплотнения в процессе работы лабораторного 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 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 пер18201 k I чл о и последу! щих нечетных колец 3, у!ч личенные зазоры у второго и последующиx четных колец 4 вызывают потери напора вследствие деформации от расширения и трения потока утечек рабочего тела в зазорах.

Такое бесконтактное лабиринтное уплотнение пары поршень-цилиндр при рабс1те двигателя в условиях повышенных давлений, температур рабочего тела и относительных скоростей скольже ния поверхностей обладает достаточно высокой прочностью, надежно и длительно сохраняет геометрические параметры сопряженных поверхностей элементов уплотнения, на 30...40; 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 25 смазочного масла с поверхности направляющего .цилиндра в зазоры кольцевого лабиринта существенно повышает эффект уплотнения и снижает работу трения. 30

Снижение работы трения и повышение уплотчительных свойств пары поршеньцилиндр в поршневых двигателях внутреннего сгорания позволяет существенно снизить удельные эффективные расходы топлива и смазочного масла, что обеспечивает высокий экономический эфс)ект от внедрения в различные отрасли народного хозяйства двигателей внутреннего сгорания с таким уплотне" нием пары поршень-цилиндр. Принцип неразрезных уплотнительных колец устанавливаемых в общую ступенчатую проточку, существенно упрощает технологию производства элементов комплекта уплотнения пары поршень-цилиндр при достижении более высокой точности их геометрических форм, обеспечивает высокую прочность, ремонтопригодность и снижает затраты на эксплуатацию, ремонт уплотнения в целом. Снижение потерь на трение в паре поршень-цилиндр, снижает удельный эффективный расход топлива на

6...10>. ф!! P И У f!,,,1 li 3 О >; . k! l!!!

Уплотнение !1ары пар.:!i-.! .-цилиндр двигателя внутренн» . г !ранил, содержащее направляющий ц!!линдр и пс!ршгнь с. уплотнительными кольцами, о т л и ч а ю щ е е с я ел!, !то оно снабжено жаровой накладкой и L-образной жаростойкой стальной вставкой, установленными на поршне и бразующими канавку под уплотнительные кольца, цилиндр выполнен k3 гума, а уплотнительные кольца Bblf1Q)1Hc)klkk из стали неразрезными kk установлены в канавке в количестве не менее трех с че редующимися диаме трал ь ными за зо рами, образованными первым и последующими нечетными кольцами с поверхностью направляющего цилиндра и равными (0,00018-0,00025) D, где D — диаметр направляющего цилиндра, с поверхностью жаростойкой вставки — (О, 0040,008)!), последующие четны» кольца установлены с нулевым зазором или натягом с поверхностью жаростойкой вставки и с зазором (0,004-0,008)1) с поверхностью направляющего цилиндра, причем уплотнительные кольца ;становлены вдоль оси поршня с oCk1;" :ованием неподвижного. соединения между торцевыми поверхностями жаросто! :кой вставки и жаровой накладки порше;1.

2. Уплотнение по п,1, î -, л ич а ю щ е е с я тем, что у;:-.:гнительные кольца выполнены пр -:, угольного сечения высотой (0,015-0,040)1) и шириной (0,20-0,040)1).

3. Уплотнение по п,1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что часть колец выполнена прямоугольного сечения высотой (0,015"0,030)D и шириной (0,020-0,040)D, а другие выполнены

L-образного сечения с внутренней кольцевой вставкой, высота последних равна (0,040-0,080)0, ширина выступающей части, контактирующей с цилиндром, - (0,010-0,020)D, при этом высота кольцевой вставки выполнена равной (0,025-0,040)D и она установлена с нулевым зазором или натягом с поверхностью жаростойкой вставки и зазором (0,004-0,008)D с выступающей частью J.-образного уплотнительного кольца.

1820111

ДФОП Составитель В.Передерий

Редактор Т.Федотов Техред И. Иоргентал Корректор M. Têà÷

«««««««

Заказ 2017 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

«« «\ °« В«««

Проиэводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,:Гагарина, 101