Уплотнение пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания

 

Сущность изобретения: поршень выполнен с съемной стальной жаропрочной головкой. Направляющий цилиндр выполнен из чугуна. Уплотнительные кольца поршня выполнены стальными неразрезными и установлены в количестве не менее трех в ступенчатую проточку , выполненную на головке, с чередующимися диаметральными зазорами, равными соответственно: первое и последующее нечетные кольца с поверхностью направляющего цилиндра - (О,00018-0,00025)D, с поверхностью проточки - (0,,006)D. Четные кольца установлены с нулевым зазором или натягом с поверхностью проточки головки и с зазором (0,,008)В с поверхностью направляющего цилиндра. Кольца установлены вдоль оси поршня с образованием неподвижного соединения с торцовыми поверхностями ступенчатой проточки головки и корпуса направляющей части корпуса. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)g F 16 J 9/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .

Н ABTOPCKOMY СЧИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21)4897199/29 ъ (22) 26.12.91 (46) 07,06.93. Бюл. М 21 (71) Новочеркасский политехнический институт им. Серго Орджоникидзе (72) В.Г.Передерий, В.И.Кравченко, Н.Т.Иердицкий, И.А.Кособоков и В.В.Кравченко (56) Пульманов Н.В. Дизель-компрессоpbl со свободно движущимися поршнями, М.: Машиностроение, l959, с. 201, фиг ° 97а. (54) УПЛОТНЕНИЕ ПАРЫ ПОРНЕНЬ-ЦИЛИНДР

ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Сущность изобретения: поршень выполнен с съемной стальной жаропроч" ной головкой. Направляющий цилиндр выполнен из чугуна. Уплотнительные кольца поршня выполнены стальными неИзобретение относится к машино« строению и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства для уплотнения пары поршень-цилиндр, работающего в условиях повышенных давлений, температур рабочего тела и относительных скоростей скольжения трущихсл поверхностей, преимущественно е поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Известны уплотнения пары поршеньцилиндр двигателей внутреннего сгоранил, предназначенные для создания герметичности надпоршневого объема камеры с рабочим телом и определяюцие надежность и экономичность двига-. теля. Даже при незначительных изно„„Я3„„1820112 А1 разрезными и установлены в количестве не менее трех в ступенчатую проточку, выполненную на головке, с чередующимися диаметральными зазорами, равными соответственно: первое и последующее нечетные кольца с поверхностью направляющего цилиндра (0,00018-0,00025)D, с поверхностью проточки - (0,004-0,006)D. Четные кольца установлены с нулевым зазором или натягом с поверхностью проточки головки и с зазором (0,004-0,008)D с поверхностью направляющего цилиндра.

Кольца установлены вдоль оси поршня с образованием неподвижного соединенил с торцовыми поверхностями ступенчатой проточки головки и корпуса направляющей части корпуса. 2 з.п. ф-лы„ 2 ил.

Ь сах элементов таких уплотнений су- QQ щественно снижаются исходные технико- с ) экономические показатели двигателей . С) внутреннего сгорания (см. Устинов A.H.

Исследование поршневых колец дизелей.

Иэд.Сарат.ун-та, Саратов, 1974).

При высоких давлениях и температурах рабочего тела канавки для уплотнительных колец могут выполняться на отдельной жаропрочной головке поршня а (см. Двигатели внутреннего сгорания:

Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Под ред.

А.С. Орлина, M.Ã. Круглова, M. Машиностроение, 1990, с. 69), причем первое уплотнительное кольцо может иметь сечение L-образной формы (см. Пульма" 1820112 нов Н.В. Дизель-компрессоры со свободно движущимися поршнями, И.: Машиностроение, 1959, с. f93, фиг. 92).

Известны также уплотнения паРы поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания, .содержащие направляющий цилиндр и поршень, содержащий отдельные специальные канавки, в каждую из которых установлены с зазорами подвижные разрезные упругие кольца прижатые к поверхности направляющего цилиндра силами упругости кольца и давлением рабочего тела со стороны радиального зазора внутри канавок (см..Пульма-! нов Н.В. Дизель-компрессоры со арво" бодно движущимися поршнями, И.: Иаши" настроение, 1959, с. 201, фиг. 97а) .

Разрезные упругие кольца уплотнения вызывают неравномерный износ по- N верхности направляющего цилиндра вдоль его оси, образуя на ней различные формы овалов "- разными радиусами кривизны, конусности и т.п., что приводит к образованию просветов в занах25 замков. (разрезов) и других участках уплотнительных колец и поверхности направляющего цилиндра, к снижению герметичности уплотнения и ухудшению технико-зкономических показателей ЗО двигателя.

При повышении параметров рабочего тела в известном уплотнении пары поршень-цилиндр снижаются прочность и работоспособность разрезные уплотни- ® тельных колец, существенно возраста-., ет работа сил трения в паре поршень- ., цилиндр, что приводит к интенсивному и неравномерному изнашиванию трущихся поверхностей направляющего цилиид- 40 ра и уплотнительных колец, изменениям их геометрических форм, изнашиванию и потере уплотнитвльных свойств колец. При повышенных скоростях возвратно-поступательного движения порш- 45 ня осевая подвижность колец вызывает также изнашивание и изменение геометрической формы канавок на паране для уплотнительных колец, что способствует повышению вибрации колец и дальнейшей потере герметичности и прочности такого уплотнительного соедине" ния, возрастанию потерь смазочного масла на угар, снижению работоспособности и долговечности уплотнения пары поршень-цилиндр двигателя. Для до- стижения этой цели в известном уплотнении пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания, содержащем направляющий цилиндр и поршень с уплотнительными кольцами, поршень выполнен со сьемной стальной жаропрочной головкой, цилиндр выполнен из чугуна, а уплотнительные кольца выполнены стальными неразрезными и установлены в количестве не менее трех в ступенчатую проточку, выполненную на жаропрочной головке, с чередующимися диаметральными зазорами, равными соот- 1 ветственно: первое и последующие нечетные кольца с поверхностью направляющего цилиндра - (6,00018...

0,00025)0, с поверхностью проточки на жаропрочной головке - (0,0040...

0,0080)Р, .четные кольца установлены с нулевыми зазором или натягом с поверхностью проточки на жаропрочной головке 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 торцевыми поверхностями ступенчатой проточки на жаростойкой вставке и корпуса направляющей части поршаюа при атеем .tасть уплат ит.;.ль,. . .х ка лец выполнена прямоугольного сечения - высотой (0,015. 0,030)D и шириной - (0,020...0,040)В, а часть

L-образно о сечения с внутренней кольцевой вставкой, .высота последних равна (0,040...0,080)D, ширина их вы-: ст аюшей части, контактирующей с по- . верхностью направляющего цилиндра, равна (0,010...0,020)D, высота внут" ренней кольцевой вставки - (0,025...

0,040)0, вставка установлена с нулевыми зазором или натягом с поверхностью проточки на жаростойкой вставке и с образованием зазора {0,004...

0,008)D с выступающей частью L-образного уплотнительного кольца, где 9,-диаметр направляющего цилиндра.

Существенными отличиями такого уплотнения пары поршень-цилиндр являются выполнение всех уплотнительных колец неразрезными, установка всего комплекта уплотнительных колец в об»: щую ступенчатую проточку .неподвижным; соединением вдоль общей оси порш м, разгрузка направляющего цилиндра от сил упругости уплотнительных колец и давления рабочего тела.

Современным машиностроением хорошо освоены точные подвижные соединейия гладких цилиндрических элементов с зазором типа Hj/ðá ГОСТ 25347-82. На мм

0,0135

0,0155

0,0222

0,0288

0,030 (} q мцд, M3/C (Jl/HHH)

0,0000339 (2,03)

0,0000513 (3,07)

0,000151 (9,05)

0,00033 (19,78)

0,00045 (271 у >кс M3/C (Jl/HHH)

010000847 (5,082)

ОФ 000128 (7,69)

0,000377 (22,63)

0,000824 (49,44)

0,00113 (67,5) .

QgINIl H3/C (Jl/HHH)

0,0016 (69975)

0,00138 (82,8)

0,00235 (141)

0,0037 (222)

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

b мин = 0,00017 D = 0,00017 190

0,0323 мм;

<,мни 0,0135 мм;

Ьуакс = 0,00026 В = 0,00026.190 =

0,0493 мм,"

Ь макс = О, 030 мм.

Таким образом, запредельные значе8 ния зазоров Ь, „„ = 0,00017 D при ра=

5Q бочем нагреве элементов уплотнения выходит за границы наиболее предпочтительной посадки Н7/g6, что связано с ухудшением технологичности конструкции уплотнения, повышением вероят55 ности задиров сопрягаемых поверхностей при эксплуатации, снижением на" дежности и долговечности уплотнения.

Значения запредельных зазоров 4,„ „

I мокс

0,00026 D существенно снижают гер5 1820112 б основе этих точных посадок реализова правЛяющем цилиllдро; при сеяно сопряжение первого и последующих падении осей уllf с1 (<ит: f ьных ! нечетных неразрезных уплотнительных колец и направляKIIIpi цилиндколец с поверхностью цилиндра с га5 ра F = 0 при максималы ом

9 рантированным зазором (0,00018... радиальном смещ ии! vflflr ни—

0 00025) D. тельных колец в зазоре Ло соПри работе двигателя элементы уп- при кос но вения с поверх ность K) лотнения нагреваются и величина зазо- напра вляющеI о Цилиндра (= 1 . ра в уплотнении изменяется в соответ- 10 Для материалов уплотнения; ствии со значениями коэффициентов ли- направляющий цилинрр - серый чунейного расширения кольца ю(„, направ- гун Сц25 ГОСТ 1412-79, д = 12,? х ляющего цилиндра g< и перепадов тем- х10, К ператур при нагревах кольца 4Т< и на- — уплотнительное кольцо сталь правляющего цилиндра 4Тц. )5 40ХФА ГОСТ 4543-71 9 к = 11 10 K

Ь = (0,00018...0,00025) D при D = 190 мм, перепадах температур: 4Т = 193 К и 6 Тк = 223 К

+ (И„Ьт„-с, Ьт„) О. (см. Устинов Л.Н....с.120), Уплотнительные качества пары пор- hI = (0,015...0,030)D = (0,015... шень-цилиндр оцениваются по величине 20 0,030) 190 = 3 мм, принимаем i = 3, утечек рабочего тела через зазоры: тогда при перепаде давления рабочего тела по длине зазора 5 кг/см (см.

Qg — — — —.— — (1 + Е ) н "Э

Устинов А.Н....с.28) и динамическом коэффициенте вязкости рабочего тела где D - диаметр цилиндра; 25 М = 2,5 ° 10 кгс/м, рассмотрим ос-6

- диаметральный зазор в паре новные параметры нового уплотнения; поршень-цилиндр; I

Р - перепад давления по длине за- Ь - зазоры при нормальном теплозора; вом состоянии уплотнения, Р - динамический коэффициент вяз- З0 Ь зазоры при нагреве деталей упкости рабочего тела; лотнения, - число уплотнительных колец, С мик* ми» утечки рабочего теh - осевая высота кольца; ла через зазоры при Я = О, 6 - относительный эксцентриситет макс .1 макс утечки рабочего уплотнительного кольца в. на- тела через зазоры при Я = 1, 35 ) мм Q JIIIg g P3/C (JI/HHH)

0,0323 0,000465 (27,9) 0,0342 0,000552 (33, 12)

0,0408 0,000941 (56,4)

0,0475 0,00148 (88,73)

0,0493 0,00166 (99,36) 1820112 метичность уплотнения, в сравнении с базовым серийным уплотнением утечки рабочего тела возрастают в 1,65...

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

Зазоры между нечетными уплотнительными кольцами и поверхностью проточки. на жаропрочной головке поршня, 1О а также четных колец с поверхностью направляющего цилиндра 0 = (0,004...

0,008) D компенсируют тепловое расширение головки поршня и разгружают уплотнительные кольЧа от нагРузки нормальной силой при перекладке поршня в. зазоре его направляющей части и выполнены на основе посадки Н9/е8

ГОСТ 25347-82 так., чтобы ф„Д T„D + Ь (Н9/е8) < (0,004...

0,008) D.

При Мп = 12 10, К 11Тв 250 К и D = 190 мм, имеем 12 10 ° 250 190 +, + (0,100...0,287) ((0,004...0,008)у . 26

r 190, т. е. (0,670... 0,857) а (О, 760...;

1,520) .

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

Уплотнение содержит направляющий 30 цилиндр 1 диаметром D и составной поршень 2 с от ьемнои жаропрочной головкой 5 со ступенчатой проточкой со стороны корпуса направляющей части поршня, на которую поочередно установлены неразрезные кольца нечетные

3 и четные. 4, нижнее кольцо 4 опира« ется на торцевую поверхность направляющей части корпуса поршня 2, а верхнее кольцо 3 опирается на торце" 40 вую поверхность ступенчатой проточки на жаропрочной головке 5, ограничивающих осевую подвижность комплекта уплотнительных колец 3 и 4, образую™ щих поочередно диаметральные зазоры: первое и последующие нечетные кольца

3 с поверхностью направляющего цилиндра 1, - (0,00018...0,00025) D,, с поверхностью проточки на жаропрьчной головке 5 ". (0,004...0 008) D; второе и последующие четные кольца 4 установлены с нулевыми зазором или натягом с поверхностью проточки на жаропрочной головке 5, образуя при этом с поверхностью направляющего цилиндра 1 зазоры - (0,004 ° ..0,008) D.

При прямоугольном поперечном сечении уплотнительных колец 3, 4 высота вдоль оси кольца составляет (0,015...

О, 030) 1) Радиальная толщина — (О, 020 ... 0,040) D. Повышение герметичности уплотнения при ограниченном количестве колец в комйлекте достигается установкой неразрезных уплотнительных колец 7 сечением L-образной формы с внутренней кольцевой вставкой 8, фиг.2 и фиг.3. Общая высота Ь-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) D, кольцевая вставка образует нулевой зазор или натяг с поверхностью проточки на жапрочной головке поршня и зазор (0,004...0,008) D с внутренней поверхностью .выступающей, части уплотнительного кол ьца L-образного сечения.

Уплотнение работает следующим об" разом. При движении поршня 2, основная ориентация осевого положения (соосность) уплотнительных колец 3, 4 в комплекте уплотнения относительно оси поверхности направляющего цилиндра обеспечивается направляющей частью поршня 2 и автоматически корректируется в процессе Рабогы за счет лерекладок поршня в зазоре его направляющей части и упругих свойств неразрезных нечетных уплотнительных колец 3.

Это создает практически бесконтактные условия уплотнения в процессе работы лабиринтного комплекта уплотни" ч ельных 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, ре3ко изменяющими проходные сечения на пути потока рабочего тела вдоль оси уплотнения. Гидродинамическое сопро.тивление потоку рабочего тала создается на участках с минимальными -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 трения потока утечек рабочего тела.

Такое бесконтактное лабиринтное уплотнение пары поршень-цилиндр при работе двигателя внутреннего сгорания в условиях повышенных давлений, тем1820112

10 ператур рабочего тела и относительных скоростей скольжения поверхностей обладает достаточно высокой прочностью, . надежно и длительно сохраняет геомет- 5 рические параметры сопряженных поверхностей элементов уплотнения, на

30...404 снижает потери на трение в паре поршень-цилиндр, повышает эффективность уплотнения, надежность и 10 долговечность его основных элементов.

Это обусловлено повышенными прочностью и жесткостью нераэрезных уплотнительных колец и стабилизацией геометрических параметров уплотнения. Поступление смазочного масла с поверхности направляющего цилиндра в зазоры кольцевого лабиринта существенно поаышает эффект уплотнения и снижает работу трения.

Снижение работы трения и повышение уплотнительных свойств пары поршеньцилиндр в поршневых двигателях внутреннего сгорания позволяет существенно снизить удельные эффективные рас", 2r„ ходы топлива и смазочного масла, что обеспечивает высокий экономический эффект от внедрения в различные отрасли народного хозяйства двигателей внутреннего сгорания с таким уплотне" 30 нием пары поршень-цилиндр. Принцип нераэрезных уплотнительных. колец устанавливаемых в общую ступенчатую проточку сущестВенно упрощает. технол< "ию производс) а элементов комплекта уплотнения. пары поршень-цилиндр . при достижении более высокой точнос« ти их геометрических форм, обеспечивает высокую ремонтопригодность и снижает затраты на эксплуатацию, ремонт в паре поршень-цилиндр снижает удельный эффективный расход топлива на 6...10 ,формула изобретения

1. Уплотнение пары поршень -цилиндр двигателя внутреннего сгорания, содержащее направляющий цилиндр и поршень с уплотнительными кольцами, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что поршень выполнен со съемной стальной жаропрочной головкой, цилиндр выполнен из чугуна, а уплотнительные кольца выполнены стальными неразрезными и установлены в количестве не менее трех в ступенчатую проточку, выполненную на жаропрочной головке, с чередующимися диаметральными зазорами, равными соответственно: первое и последующие нечетные кольца с поверхностью направляющего цилиндра.— (0»00018-0,00025) D» где D — диаметр направляющего цилиндра с поверхностью проточки жаропрочной головки (0,004-0,008) D четные кольца установлены с нулевым зазором или натягом с поверхностью. проточки жаропрочной головки и с зазором (0,0040,000) D с поверхностью направляющего цилиндра, причем уплотнительные кольца установлены вдоль оси поршня с образованием неподвижного соединения с торцевыми поверхностями ступенчатой проточки жаропрочной головки и корпуса направляющей части поршня.

2. Уплотнение по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что уплотнительные кольца выполнены прямоугольного сечения, высотой (0,015--0,030) D и шириной - (0,020-0)040) D.

3. Уплотнение Ао п.1, о т л ч а ю щ е е с я тем, что часть уплотнительных колец выполнена прямоугольного сечения высотой (0,0150,030) 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)D, ширина выступающей части, контактирующей с цилиндром, - (0,010-0,020)D высота внутренней кольцевой вставки выполнена равной (0,025-0,040) D, при этом внутренняя кольцевая вставка установлена с нулевым зазором или натягом с поверхностью проточки жаропрочной головки и зазором (0,004-0,008) D с выступающей частью L-образного уплотнительного кольца.

1820112

Составитель В,Передерий

Техред М.Иоргентал Корректор Н.Куль

Редактор Т.Федотов

Заказ 2017 Тираж Подписное

9НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул. Гагарина, 101

Лмр1ююююЯ..Р йеР . Я7юфlРПРФ.. ОООЙ2

Эзар(0004...0

Л@Р/Р а ..um

Ж.. )

-й30 Или катя? ОО