Уплотнение пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания

(ГО АТЕНТНО СПАТЕНТ СССР)ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ гуна. Уплотнительные кольца выполнены из стали неразрезными и установлены в количестве не менее трех в проточке. в вставке с чередующимися диаметральными зазорами. Четные кольцаустановлены с нулевым зазором или натягом с поверхностью проточки, с зазором с поверхностью направляющегоцилиндра. Уплотнительные кольца устновлены вдоль оси поршня с образованием неподвижного соединения междуторцовыми поверхностями проточкивставки и 1,-образного стопорногокольца. Часть уплотнительных колецвыполнена прямоугольного сечения.Вставка- установлена с образованиемзазора с несущей частью 1.-образногокольца. 3 ил,й енко изель-компрессоимися поршнями,959, с. 201,аЦИЛИНДРЯростойразмещеполненн из чусходные т атели дви ия (см У ехни гате стин вых коле Саратов о При высоких давлениях и температурах рабочего тела канавки для уплотнительннх колец могут выполняться на специальных. жаростойких вставках напоршнях (см. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова, М.: Машиностроение, 1990, с. 69), причемуплотнительнае кольцо может.-образную .Форму (см. Пульма, Дизель-компрессоры со свопервое иметьнов Н,В ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Пульманов Н.В. Дры со свободно движущМ.: Машиностроение, 1Фиг. 9 а.(54) УПЛОТНЕНИЕ ПАРЫ ПОРЫЕНЬДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИ(5) Сущность изобретения: жакая кольцевая вставка поршняна в ступенчатой проточке, выной в поршне. Цилиндр выполне Изобретение. относится к машино-. строению и может быть использовано вовсех 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 поршень- цилиндр 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 о-зкономические пока- а ей внутреннего сгора- (ф в А,Н, Исследованиедизелеи. Изд, Сарат.1974).бодно движущимися поршнями, М;: Машиностроение, 1959, с, 191, фиг. 92),Известны также уплотнения пары поршень-цилиндр, содержащие направ ляющий цилиндр и поршень, имеющий отдельные специальные канавки, в каж" дую из которых установлены с зазорами подвижные разрезные упругие кольца, прижатые к поверхности направляю щего цилиндра силами упругости и давлением рабочего тела со стороны радиального зазора внутри канавок поршня (см. Пульманов Н,В, .Дизель- компрессоры со свободно движущимися поршнями, М,: Машиностроение, 1959, с201, фиг. 97 а) .Разрезные упругие кольца уплотнения вызывают неравномерный износ по". верхности направляющего цилиндра 20 вдоль его оси, образуя на ней различ. ные 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 поверхности направляющего цилиндра, к сниженйю герметичности уплотнения и ухудшению технико-экономических показателей двигателя. ЗОПри повышении параметров рабочего тела в известном уплотнении пары пор" шень-цилиндр снижаются прочность и работоспособность разрезных уплотни-. тельных колец, существенно возрастает 3 работа сил трения в паре поршень-цилиндр, что .приводит к интенсивному инеравномерному износу трущихся по"верхностей направляющего цилиндра и уплотнительных колец, изменениям их Щгеометрических форм, износу .и потереуплотнительных свойств колец. При повышенных скоростях возрратно"поступа-тельного движения поршня осевая под-вижность колец вызывает также износ 45и изменение геометрической формы ка"навок на поршне для уплотнительныхколец, что способствует повышениювибрации колец и дальнейшей потерегерметичности и, прочности такого уп"лотнительного соединения, возраста"нию потерь смазочного масла на угар,снижению работоспособности и долго"вечности 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 относительныхскоростей 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 после" дующие нечетные кольца с поверхностью направляющего цилиндра (0,00018 0,00025)В, с поверхностью проточки на жаростойкой вставке (0,0040,008)Э, четные кольца установлены с нулевым зазором или натягом с поверхностью проточки на жаростойкой вставке й с зазором (0,0040,008)Э 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 Ь-образного стопорного кольца, при этом часть уплотнительных колец выполнена прямоугольного сечения - высотой (0,0150,030)Э и шириной (0,0200,040)Э, а часть Ь"образного сечения с внутренней, кольцевой вставкой, высота последних равна (0,040.,0,080)О, ширина их выступаю"щей части, контактирующей с поверх-ностью направляющего цилиндра, равна.кольцевой вставки (0,0250,040)0,вставка установлена с нулевым зазором или натягом с поверхностью про.-точки на жаростойкой вставке и с образованием зазора (0,0040,008)Э свыступающей частью Ь"образного уплотнительного кольца, где 0 - диаметрнаправляющего цилиндра,Существенными отличиями такого уплотнения пары поршень-цилиндр являются выполнение всех уплотнительных колец неразрезными, установка всего комплекта уплотнительных колец в общую ступенчатую проточку неподвижным, 1820110соединением вдоль оси поршня, раз- число уплотнительных колец:грузка поверхности направляющего ци- Ь - осевая высота кольца;линдра от сил упругости уплотнитель:, - относительный эксцентриситетных колец и давления рабочего тела. уплотнительного кольца в наСовременным машиностроением хоро-: праоляющем цилиндре; при сояшо освоены точные подвижные соедине- падении осей уплотнительныхния гладких цилиндрических элементов колец и направляющего цилиндс гарантированным зазором типа Н 7/в 6 ра Е = О, при максимальномГОСТ 25247-82. На основе этих точныхрадиальном смещении уплотнипосадок реализовано сопряжение перво- тельных колец в зазоре до сого и последующих нечетных неразрез- прикосновения с поверхностьюных уплотнительных колец с поверхнос- направляющего цилиндра Я = 1,т ью на правляюще го цилиндра с га ран- Для материалов деталей уплотнения:тированным зазором )0)00018 15 - направллющий цилиндр - серый чу 0,00025)0. гун СЧ 25 ГОСТ 1412-79, 0(ц = 12,2 "При работе двигателя элементы уп- х 10 , Клотнения нагреваются, и величины зазо- уплотнительное кольцо - стальров в уплотнении изменяются в соот ХфА ГОСТ 4543-71, М = 11 10 а,ветствии со значениями коэффициентов 20 Клинейного расширения кольца 0 ) на- при Э = 190 мм, перепадах темпеправляющего цилиндра Оц ) и перепа- ратур: ЬТц = 193 К и ЬТк = 223 К (см,дов температур при нагревах кольца А.Н.Устиновс.120),ЬТ и направляющего цилиндра ЬТц. Ь= (0,0150,030)В = (0,015Ь = (0,000180,00025)р 5 0,030) 190 = 3 мм, принимаем(ф ЬТ Ь тк) П.тогда при перепаде давления ра очегоФц ЬТц ), ЬТк П. тела по длине зазора 5 кг/см 2 (см.Уплотнительные качества пары. пор- Устинов А.Н,с,28) и динамическомшень-цилиндр оцениваются по величине коэффициенте вязкости рабочего телаутечек рабочего тела через зазоры: 30 р = 2,5 10кгс/м 2, рассмо 1 рим основ 0 Р ные параметры нового уплотнения:)1 1 +Ь - зазоры при нормальном теплогде 0 - диаметр, цилиндра; вом состоянии уплотнения;Ь - диаметральный зазор в паре Ь - зазоры при нагреве деталей уппоршень-цилиндр; лотненил;Р - перепад давления по длине за-- утечки рабочего тезора; ла через зазоры при 6 = О,О - динамический коэффициент вяз- О , О , - утечки рабочегокости рабочего тела;40тела через зазоры при Б =. 1,Ь, мм Ь, мм сумин) мэ/с (л/мин) о) мэ/с. (л/мин)0,0323 0,0135 0,000465 (27,9) 0,0000339 (2,03)0,0342 0 0155 О 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)10 у макс ) мэ/с (л/мин)0,0016 (69,75)0,00138 (82,8)0,00235 (141)0,0037 (222)0,00414 (248,4) Запредельные значения зазоров всопряжении уплотнения составляют:Ь мин = 0)00017 Р = 0,00017190 == 0,0493 мм,макс= 0) 030 мм,Таким образом) запредельные значения зазоров Ь и = 0,00017 Л при ра 1820110бочем нагреве элементов уплотнения выходят эа границы наиболее предпочтительной посадки Н 7/86, что связано с ухудшением технологичности конструкции уплотнения, повышением вероятности задиров сопрягаемых поверхностей при эксплуатации, снижением надежности и долговечности уплотнения.1 Значения запредельных зазоров Д вк = 0,00026 Р существенно снижаЮт герметичность уплотнения, в сравнении с базовым серийным уплотнением, утечки рабочего тела возрастают в 1,654 раза (см, Устинов А.Н,с,27), что 1 ухудшает пусковые качества и эконо- . мичность двигателя.Зазоры между нечетными уплотнительными кольцами и поверхностью проточки на жаростОЙкОЙ вставке поршня р 0 а также четных колец .с поверхностью направляющего цилиндра Д = (0,0040,008)Р компенсируют тепловое расширение головки поршня и разгружают уплотнительные кольца от нагрузки нор",25 мальной силой при перекладке поршня в зазоре его направляющей части и. выполнены на основе посадки. Н 9/е 8 ГОСТ 25347-82 так, чтобы0( ДТВ + д(Н 9/е 8) С (0,004ЗО 0,008) 1).при м, = 12 10-, к , Дт= 250 к и Э = 190 мм, имеем 1210250 хх 190 + (0,1000,287) с (0,0040,008). 190, т.е. (0,6700,857) с (0,7601,520).На фиг.1-3 изображено уплотнение пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания. 40Уплотнение содержит направляющий цилиндр.1 диаметром 0 и поршень 2 с жаростойкой вставкой 6 со ступенчатой проточкой со стороны надпоршневого объема камеры с рабочим телом, Щ на которую поочередно установлены неы раэрезные нечетные кольца 3 и четные кольца 4, нижнее кольцо 4 опирается на торцовую поверхность ступенчатой проточки жаростойкой вставки 6, а верхнее кольцо 3 - на торцовую поверхность 1,-образного разрезного стопорного кольца 5, ограничивающего осевую подвижность комплекта уплотни" тельных колец 3 и 4, образующих поочередно диаметральнце зазоры: первое и последующие нечетнце кольца 3 с поверхностью направляющего цилиндра 1, (0,000180,00025)Р, с поверхностью проточки жаростойкой вставки 6 (0,0040,008)Р; 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 (0,0040,008)0. При прямоугольном поперечном сечении уплотнительных колец 3 их высота вдоль оси кольца составляет (0,0150,020)0, ширина .(0,0200,040)П. Повышение герметик" ности уплотнения при ограниченном количестве колец в комплекте достигается установкой неразрезных уплотнительных колец 7 сечением Ь-образной формцс внутренней кольцевой вставкой 8, Общая вцсота 1.-образногь уплонитель-; ного кольца 7 вдоль оси (О,0400,080)0, радиальная толщина его выступающей части (0,0160,020) О, высота внутренней кольцевой вставки (0,0250,040)Э, кольцевая вставка образует нулевой зазор или натяг с поверхностью проточки на жаростойкой вставке поршня и зазор (0,0040,008)Р с внутренней поверхностью выступающей части уплотнительного кольца Ь-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 неразрезнцх 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. Гидродинамичес" кое сопротивление потоку рабочего тела создается на участках с минимальными зазорами у первого и последую 1820110щих нечетных колец 3, а увеличение зазоров у второго и последующих чет" ных 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 30404 снижает потери на трение в паре поршень" цилиндр, повышает эФФективность уплотнения, надежность и долговечность его основных элементов. Это обусловлено повышенными прочностью и жесткостью неразрезных уплотнительных колец и стабилизацией геометрических параметров уплотнения, Поступление 75 смазочного масла с поверхности направляющего цилиндра в зазоры кольцевого лабиринта существенно повышает эФФект уплотнения и снижает работу трения, 30Снижение работы трения и повышение уплотни"ельных 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 поршень- цилиндр при достижении более высокой точности их геометрических Форм, обеспечивает высокую прочность: ремон . топригодность и снижает затраты наэксплуатацию, ремонт уплотнения, двигателя в целом. Снижение потерь натрение в паре поршень-цилиндр, снижает удельный расход топлива на 610 Формула изобретенияУплотнение 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 Ь"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 (0,00018- 0,00025)0, где П - диаметр направляющего цилиндра, с поверхностью проточки на жаростойкой вставке - (0,004" 0,008)0, четные кольца уста"орланы с нулевым зазором или натягом с поверхностью проточки на жаростойки вставке, с зазором - (0,004-0,0 С-)О - с поверхностью направляющего цилиндра причем уплотнительные кольца установлены вдоль оси поршня с образованием неподвижного соединения между торцевыми поверхностями ступенчатой проточки жаростойкой вставки и Ь-образного стопорного кольца при этом часть уплотнительных колец выполнена прямоугольного сечения, а часть Е-образно" го сечения - с внутренней кольцевой вставкой, высота последних равна (0,040-0,080)Э, ширина его выступающей части, контактирующей с цилиндром - (0,010-0,020)В, высота внутренней вставки - (0,025-0,040) В, вставка установлена с образованием зазора с выступающей частью Ь-образного.кольца, а уплотнительные кольца прямоугольного сечения выполнены высотой (0,015-0,0 ЗО)э и шириной (О,О 20- 0,040)Э.