Уплотнение пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания

)5 тельные кольца. Направляющий цилиндрвыполнен из чугуна, уплотнительныекольца - из стали неразреэными и установлены в канавке в количестве неменее трех с чередующимися диаметральными зазорами. Зазоры образованыпервым и последующими нечетными кольцами с поверхностью цилиндра и равны(0,00018-0,00025)1), с поверхностьювставки (0,004."0,008)й. Последующиечетные кольца установлены с нулевымзазором или натягом с поверхностьювставки и с зазором (0,004-0,006)0 споверхностью цилиндра; Уплотнительные кольца установлены вдоль осипоршня с образованием неподвижногосоединения между торцовыми поверхнос"тями вставки и накладки, " э.п, ф-лы,3 ил. 1 Яполитехничесрджоникидзе В.И,Кравченк особоков(54) УПЛОТН ДВИГАТЕЛЯ В (57) Сущнос накладка и стальная вс не и образу твенно снижают мические покареннего сгор Исследование й, Иэл.Сарат специальных жаростойк поршнях (см. Двигател сгорания: Устройство вых и комбинированных ред. А.С.Орлина, И.Г.Нашиностроение, 1990, первое уплотнительное иметь 1.-образную форму С 0103 СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР,-образная. жаростойкаятавка установлены на .поршют. канавку под уплотни% Изобретение относится к машиностроению и может быть использованово всех отраслях народного хозяйствадля уплотнения пары поршень-цилиндр, работающей в условиях повышенных давлений, температур рабочего тела и относительных скоростей скольжения трущихся поверхностей, преимущественнов поршневых двигателях внутреннего ; сгорания.Известны уплотнения пары поршеньцилиндр двигателей внутреннего сгорания, предназначенные для созданиягерметичности надпоршневого объемакамеры с рабочим телом и определяющиенадежность и экономичность двигателя. . Даже незначительные износы элементов таких уплотнении сущ исходные. технико-эко .затели двигателей вн ния (см, Устинов А,Н,поршневых колец дизел ун-та, Саратов, 1974) При высоких давлен рах рабочего тела кан нительных колец могутях и температувки для уплот"выполняться на х вставках на внутреннего работа поршне- двигателей, под руглова, И.: с, 69), причем кольцо и жета днище порш ня - Форму жаровой накладки (смПупксамоа П,В, Пмаепк-комыоессооы сосвободно движущимися поршнями, М:Машиностроение, 1959, с. 191 е Фиг 92,с. 193, Фиг.91),Известны также уплотнения парыпоршень-цилиндр, содержащие направляющие цилиндр и поршень, имеющий отдельные специальные канавки, в каждую 1 Оиз 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 сосвободно движущимися поршнями, И.:Пэшиностроение, 1959, с. 201,Фиг.97 а)20 Рэзрезные упругие кольца уплотнения вызывают неравномерный износ поверхности направляющего цилиндра вдоль его оси, образуя на ней различ ные формы овалов с разными радиусами кривизны, конусности и т.п., цто приводит к образованию просветов в зонах замков (разрезов) и других участках уплотнительных колец и поверхности ЗО направляющего цилиндра, к снижению герметицности уплотнения и ухудшению технико-экономических показателейдвигателя.При повышении параметров рабочего 35 тела в известном уплотнении пары поршень-цилиндр снижаются прочность и работоспособность раэрезных уплотнительных колец, существенно возраста-ет работа сил трения в паре поршень-:4 О цилиндр, что приводит к интенсивномуи неравномерному износу трущихся поверхностей направляющего цилиндра и уплотнительных колец, изменениям их геометрических форм, износу потере 4 уплотнительных свойств колец. При по" вышенных скоростях возвратно-поступательного движения поршня осевая подвижность колец вызывает также износ и изменение геометрической Формы канавок на поршне для,уплотнителькых колец, что способствует повышению вибрации колец и дальнейшей потере герметичности и прочности такого уплотнительного соединения, возраста.- нию потерь смазочного масла нэ угар, .снижению работоспособности и долговечности уплотнения пары поршень-цилиндр двигателя. Цель изобретения - повышение рп 1-отоспособности и долговечности пэры поршень-цилиндр в условиях повышенных давлений, температур рабочего тела и относительных скоростей скольжения трущихся поверхностей.Для достижения этой цели в известном уплотнении пэры 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)Р, с поверхностью проточки на жаростойкой вставке (0,0040,008)0, последующие четные кольца установлены с нулевыми зазором или натягом с поверхностью .проточки на жаростойкой вставке и с зазором (0,0040,008)Л с поверхностью направляющего цилиндра, при этом комплект уплотнительных кблец устэновлен вдоль оси поршня с образованием неподвижного соединения между торцевыми поверхностями ступенчатой, проточки на жаростойкой вставке и жаровой накладки поршня.Уплотнительные кольца выполнены прямоугольного сечения с высотой равной (0,0150,030)0 и шириной(0,0200,ОЬО)Р, при этом часть колец может выполняться прямоугольногосечения, а другие - Ь-образного сечения с внутренней кольцевой вставкой, высота последних равна (0,0 т 0.0,080)Р, ширина выступающей части, контактирующей с поверхностью направляющего цилиндра (0,0100,020)0, при этом высота кольцевой вставки выполнена равной (0,0250,040)0, она установлена с нулевыми зазором или натягом с поверхностью ступенчатой проточки на жаростойкой вставке и зазором (0,0040,008)0 с выступающей частью Ь-образного уплотнительного кольца, где й - диаметр направляющего цилиндра.1820111 Сущестяенными отличиями такого уплотнения пары поршень-цилиндр являются выполнение уплотнительных колец неразреэными, установка всего комплекта уплотнительных колец в общую ступенчатую проточкунеподвижным соединением вдоль общей оси поршня, разгрузка поверхности направляющего цилиндра от сил упругости уплотнительных колец и давления рабочего тела.Современным машиностроением хорошо освоены точные подвижные соединения гладких цилиндрических элементов с гарантированным зазором типа Н 7/р 6 ГОСТ 25347-82. На основе этих точных посадок реализовано сопряжение первого и последующих нечетных нераэреэных уплотнительных колец с поверхностью направляющего цилиндра с гарантированным зазором (000018000025)0.При работе двигателя элементы уплотнения нагреваются и величины зазоров в уплотнении изменяются в соответствии со значениями коэФФициентов линейного расширения кольца д , направляющего цилиндра 0 ц и перепадов температур при нагревах кольца Ь Тк и направляющего цилиндра Ь Т,:Ь = (0,000180,00025)П + + (МЬт,- МЬт,)11.Уплотнительные качества пары поршень-цилиндр оцениваются по величине утечек рабочего тела через зазоры:( масс, мз/ч(л/мин)0 0016(69 75)О, 00138(82,8)О 00235 (141)0,0037(222)0,00414(248,4) йвЬз г 3О = -- . -(1 + , - Е),Ч 96 1 ц 1. Ь 2 где П - диаметр цилинлра;, диаметральный зазор в паре поршень-цилиндр; Запредельные значения зазоров всопряжении уплотнения составляют:Ь мик = О 00017 П = 0,00017 190 == 0,0323 ми,бР - перепад лаяпения гн дл,н.;- зора,ц - динамический коэффициент я зкости рабочего тела;,число уплотнительных колец,11 - осевая высота кольца;относительный эксцентриситетуплотнительного кольца я на 10 и ра вляющем цилиндре: при совпадениии осей уплотнительныхколец и направляющего цилинд -ра -Я = О, при максимальномрадиальном смещении уплотни 15 тельных колец в зазоре до соприкосновения с поверхностьюнаправляющего цилиндраДля материалов деталей уплотнения:20 направляющий цилиндр - серый чугунСЧ 25 ГОСТ 1412-79, 0(ц = 122 10К , уплотнительное кольцо - сталь40:ФЛ ГОСТ 4543-71, ф= 11 10-,К , при Э = 190 им, перепадах тем 25 ператур: ЬТц = 193 К и ЬТ = 223 К(О,0 150,030)Л = (0,0150,030)хх 190 = 3 мм, принимаем3, тогдапри перепаде давления рабочего тела30 по длине зазора 5 кг/см 2 (см, Устинов Л.Н,с.28) и динамическом коэффициенте вязкости рабочего тела о= 2,5 10 ь кгс/м рассмотрим основные параметры нового уплотнения; Ь35 зазорР нормальном тепловом состоянии уплотнения, Ь - зазоры при нагрове деталей уплотнения, О0,1- утечки рабочего тела ч с ре з9 мизазоры при Е = О1 у моксОч ма кс40 утечки рабочего тела через зазорыпри Е = 1,1820111 55 Таким образом, запредельные энаения зазоров О мид = О, 000170, прирабочем нагреве элементов уплотнения,выходят за границы наиболее предпочтительной посадки Н 7/д 6, что связанос ухудшением технологичности констоукции уплотнения, повышением вероятности эадиров сопрягаемых поверхностей при эксплуатации, снижением на Одежности и долговечности уплотнения.Значения запредельных зазоров в дд1= 0,000260 существенно снижают герметичность уплотнения, в сравнении сбазовым серийным уплотнением, утечкирабочего тела возрастает в 1,654раза (см. Устинов А.Н,с.27), чтоухудшает пусковые качества и эконо"мичность двигателя,Зазоры между нечетными уплотнительными кольцами и поверхностью проточки на жаростойкость вставке поршня, а также четных колец с поверхностью направляющего цилиндра д=(0,0040,008)Р компенсируют тепловое расширение головки поршня иразгружают уплотнительные кольца отнагрузки нормальной силой при перекладке поршня в зазоре его направляющей части и выполнены на основе посадки Н 9/е 8 ГОСТ 25347-82 так, чтобыЮп А ТяП + Ь (ц 9/еО) с (0,0040,008)1).При М= 12 10 , К-, ЬТ== 250 К и й = 190 мм, имеем 12 10 фх 250190 + (0,1000,287) с (0,004 35О, 008) х 190, т,е. (0,670 0857) с(0,7601,520).На Фиг.1-3 изображено уплотнениепары поршень-цилиндр,Уплотнение содержит направляющий щцилиндр 1 диаметром. В и составнойпоршеньс жаростойкой вставкой 6со ступенчатой проточкой со сторонынадпоршневого объема камеры с рабочимтелом, на которую поочередно установлены нераэреэные кольца нечетные 3и четные 4,; нижнее кольцо 4 опирается на торцовую поверхность ступенча"той проточки жаростойкой вставки 6,а верхнее кольцо 3 опирается на тор- БОцовую поверхность специальной жаровой накладки 5, ограничивающих осевую подвижность комплекта уплотнительных колец 3 и 4, образующих поочередно диаметральные зазоры: первое и последующие нечетные кольца 3с поверхностью направляющего цилиндра 1, (0,000180,00025)В, с поверхностью проточки жаростойкой вставки 6 (0,0040,008)В; второе и последующие четные кольца 4 установлены снулевым зазором или натягом с поверхностью проточки на жаростойкой вставке 6, образуя при этом с поверхностью направляющего цилиндра 1 зазоры (0,0040,008)П. При прямоугольном сечении уплотнительных колец 3,4 высота вдоль оси кольца составляет(0,0200,040)0, Повышение герметичности уплотнения при ограниченном количестве колец в комплекте достигается установкой неразрезных уплотнительных колец 7 сечением Ь-образнойформы с .внутренней кольцевой вставкой 8. Общая высота Ь-образного уплотнительного кольца 7 вдоль его оси составляет (0,0400,080)0, радиальная толщина его выступающей части(0,0100,020)Р, высота внутреннейкольцевой вставки (0,0250,040) О,кольцевая вставка образует нулевойзазор или натяг с поверхностью проточки на жаростойкой вставке поршняи зазор (0,0040,008)й с внутренней поверхностью выступающей частиуплотнительного кольца 1,-образногосечения, 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 направляоцей 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 практически 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 пер 18201 1чло и последуж 1 их нечетных колец 3,удач личенные зазоры у второго и последующих четных колец 4 вызывают потери напора вследствие деформации отрасширения и трения потока утецек рабочего тела в зазорах,Такое бесконтактное лабиринтноеуплотнение пары поршень-цилиндр приработе двигателя в условиях повышенных давлений, температур рабочего тела и относительных скоростей скольжения поверхностей обладает достаточновысокой прочностью, надежно и длительно сохраняет геометрические параметры сопряженных поверхностей элементов уплотнения, на 30403 снижает потери на трение в паре поршеньцилиндр, повышает эффективность уплотнения, надежность и долговечностьего основных элементов. Это обусловлено повышенными прочностью и жесткостью неразрезных уплотнительных колец и стабилизацией геометрическихпараметров уплотнения. Поступление 25смазочного масла с поверхности направляющего .цилиндра в зазоры кольцевого лабиринта существенно повышаетэффект уплотнения и снижает работутрения. 30Снижение работы трения и повышениеуплотчительных свойств пары поршеньцилиндр в поршневых двигателях внутреннего сгорания позволяет существенно снизить удельные эфпективные рас"ходы топлива и смазоцного масла, чтообеспечивает высокий экономическийэфоект от внедрения в различные отрасли народного хозяйства двигателейвнутреннего сгорания с таким уплотне"нием пары поршень-цилиндр. Рринципнеразрезных уплотнительных колец устанавливаемых в общую ступенчатуюпроточку, существенно упрощает технологию производства элементов комплекта уплотнения пары поршень-цилиндр при достижении более высокойточности их геометрических Форм,обеспечивает высокую прочность, ремонтопригодность и снижает затратына эксплуатацию, ремонт уплотнения в 50целом. Снижение потерь на трение впаре поршень-цилиндр, снижает удельный эффективный расход топлива на610. Ф ,з р и у ли з о"". н Уплотнение пары пар.а-н -цилиндр двигателя внутренне .г.1 рания, содержащее направляющий цилиндр и поршень с уплотнительными кольцами, о т л и ц а ю щ е е с яи, что оно снабжено жаровой накладкой и 1,-образной жаростойкой стальной вставкой, установленными на поршне и образующими канавку под уплотнительные кольца, цилиндр выполнен з чугуна, а уплотнительные кольца выполнсны из стали неразрезными и установлены в канавке в количестве не менее трех с чередующимися диаметральными зазорами, образованными первым и последующими нечетными кольцами с поверхностью направляющего цилиндра и равными (0,00018-0,00025)0, где 0 - диаметр направляющего цилиндра, с поверхностью жаростойкой вставки - (0,004- 0,008)1), последующие четны кольца установлены с нулевым зазором или натягом с поверхностью жаростойкой вставки и с зазором (0,004-0,008)0 с поверхностью направляющего цилиндра, причем уплотнительные кольца ;становлены вдоль оси поршня с обрл ованием неподвижного. соединения между торцевыми поверхностями жаростойкой вставки и жаровой накладки поршня.2. Уплотнение по п,1, о т л иц а ю щ е е с я тем, цто у, :гнительные кольца выполнены пр :; угольного сечения высотой (0,015-0,040)0 и шириной (0,20-0,040)0.3. 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)0 и шириной (0,020-0,040)0, а другие выполнены Е-образного сецения с внутренней кольцевой вставкой, высота последних равна (0,040-0,080)0, ширина выступающей части, контактирующей с цилиндром, - (0,010-0,020)0, при этом высота кольцевой вставки выполнена равной (0,025-0,040)0 и она установлена с нулевым зазором или натягом с поверхностью жаростойкой вставки и зазором (0,004-0,008)0 с выступающей частью 1,-образного уплотнительного кольца..Тк аз 2017 ное Зак ВНИИПИ ГосУд и ГКНТ СС ткрытиям и д М 5М 101од ул:.Гагарин Проиэводстве ЯИ 70 ,фЮ ЮУОО .Ю ЛиО ,. фЮ Заюр айагСоставитель В.Передерийов Техред И. Иоргентал Корректо Тираж Подтвенного комитета по изобретениям 113035, Москва, Н, РаУшская издательский комбинат "Патент", г. Уяго