Уплотнение пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания

20112 А 1 6 л 9/ОО 51)5 АТЕНТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННО ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР РЕТЕ СЧИДЕТЕЛЬСТ Н АВТОРСК ия пары поршеньнутреннего сгора для создания шневого объема ом и определяюномицность двига чительных изноСОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛ ИСТИЧ ЕСКИРЕСПУБЛИК ОП ИСАН И. Е(71) Новоцеркасский политехнический институт им. Серго Орджоникидзе (72) В,Г.Передерий, В.И,Кравченко, Н,Т.Иердицкий, И.А.Кособокое и В.В.Кравченко(56) Пульманов Н.В, Дизель-компрессоры со свободно движущимися поршнями, М.: Машиностроение, 1959, с. 201, фиг97 а.(54) УПЛОТНЕНИЕ ПАРЫ ПОРШЕНЬ-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 использованово всех отраслях народного хозяйствадля уплотнения пары поршень-цилиндр,работающего в условиях повышенныхдавлений, температур рабочего тела иотносительных скоростей скольжениятрущихсл поверхностей, преимущественно е поршневых двигателях внутреннего сгорания,Известны уплотненцилиндр двигателей втнил, предназначенныегерметичности надпоркамеры с рабочим телщие надежность и экоптеля. Даже при незна 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)О., с поверхностьюпроточки - (0,004-0,006)П. Четныекольца установлены с нулевым зазоромили натягом с поверхностью проточкиголовки и с зазором (0,004-0,008)В споверхностью направляющего цилиндра.Кольца установлены вдоль оси поршняс образованием неподвижного соединенил с торцовыми поверхностями ступенцатой проточки головки и корпуса направляющей части корпуса, 2 з.п,ф-лы 2 ил,сах элементов таких уплотнений существенно снижаются исходные техникоэкономические показатели двигателей внутреннего сгорания (см. Устинов А.Н. 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 (см, Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Под ред.А Орлина, М.Г, Круглова, М.: Машиностроение, 1990, с. 69), причем первое уплотнительное кольцо может иметь сечение Е-образной Формы (см, Пульма"нов Н,В, Дизель-компрессоры со свободно движущимися поршнями, И,: Машиностроение, 1959, с, 191, фиг. 92).Известны также уплотнения пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания, .содержащие направляющий цилиндр и поршень, содержащий отдельные специальные канавки, в каждую из которыхустановлены 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 сво" бодно движущимися поршнями, И,: Иаши" ностроение, 1959, с, 201, фиг. 97 а),Разрезные упругие кольца уплотне"ния вызывают неравномерный износ поверхности направляющего цилиндравдоль его оси, образуя на ней различные Формы овалов с разными радиусамикривизны, конусности и т.п что приводит к образованию просветов в зонах 25замков. (разрезов) и других участкахуплотнительных колец и поверхностинаправляющего цилиндра, к снижениюгерметичности уплотнения и ухудшениютехнико-экономических показателей ЗОдвигателя,При повышении параметров рабочеготела в известном уплотнении пары поршень-цилиндр снижаются прочность иработоспособность разрезные уплотни- Зв;тельных колец, существенно возраста-.,ет работа сил трения в паре поршень- .,цилиндр, что приводит к интенсивномуи неравномерному изнашиванию трущихся поверхностей направляющего цилиид Ора и уплотнительных колец, изменениям их геометрических Форм, изнашиванию и потере уплотнитвльных свойствколец. При повышенных скоростях возвратно-поступательного движения поршня осевая подвижность колец вызываеттакже изнашивание и изменение геометрической формы канавок на поршне дляуплотнительных колец, что способствует повышению вибрации колец и дальнейшей потере герметичности и прочности такого уплотнительного соедине"ния, возрастанию потерь смазочногомасла на угар, снижению работоспособности и долговечности уплотнения пары поршень-цилиндр двигателя. Для достижения этой цели в известном уплотнении пары поршень-цилиндр двигателявнутреннего сгорания, содержащем на" правляющий 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 ветственно: первое и последующие.нечетные кольца с поверхностью направляющего цилиндра - (0,000180,00025)Р, с поверхностью проточки на жаропрочной головке - (0,00400,0080)Р, .четные кольца установлены с нулевыми зазором или натягом с поверхностью проточки на жаропрочной головке и с зазором - (0,0040,008)Р 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 поршффф при этлм часть уплат;"ит;мьн х ко лец выполн ена прямоугольного сечения - высотой (0,0150,030)Р и шириной - (0,0200,040)Р, а часть Ь"образного сечения с внутренней кольцевой вставкой, высота последних равна (0,0400,080)Р, ширина их вы- сти аюшей части, контактирующей с по-. верхностью направляоцего цилиндра, равна (0,0100,020)Р, высота внут" ренней кольцевой вставки - (0,0250,040)Р, вставка установлена с нулевыми зазором или натягом с поверхностью проточки на жаростойкой вставке и с образованием зазора (0,0040,008)Р с выступающей частью Ь-образного уплотнительного кольца, где Р- диаметр направляющего цилиндра.Существенными отличиями такого уп"лотнения пары поршень-цилиндр являются выполнение всех уплотнительных колец неразрезными, установка всегокомплекта уплотнительных колец в общую ступенчатую проточку неподвижным;соединением вдоль общей. оси поршня,разгрузка направляющего цилиндра отсил упругости уплотнительных колец идавления рабочего тела,Современным машиностроением хорошоосвоены точные подвижные соединейиягладких цилиндрИческих элементов сзазором типа Н 7 фб ГОСТ 25347-82, НаЬ) мм О, 0135 0,0155 0,0222 0,0288 0,030 СЗцмии) мз/с (л/мин)0)0000339 (2)03)о,ооо 051 З (З,о 7)0,000151 (9,05)0,00033 (19)78)0,00045 (271 Чанс) мз/с (л/мин)0,0000847 (5,082)О, 000128 (7, 69)0,000377 (22,63)0,000824 (49,44)0,00113 (67,5),1Р макс ) мз /с (л/ми н)0,0016 (69,75)о,оо 138 (82,8)о,00235 (141)0,0037 (222)0,00414 (248,4) Запредельные значения зазоров в сопряжении уплотнения:Ь = о,ооо 17 и = о,ооо 17 .19 о =щ 0,0323 мм;Й мни 0,0135 мм;Ьмакс = 0,00026 В = 0,00026 190 =0,0493 мм;Ь,щи = 0,030 мм.Таким образом, запредельные значения зазоров Ь щ= 0,00017 Э при ра= 50 бочем нагреве элементов уплотнениявыходит за границы наиболее предпочтительной посадки Н 7/вб) что связано с ухудшением технологичности конст" рукции уплотнения, повышением вероят ности задиров сопрягаемых поверхностей при эксплуатации, снижением на" дежности и долговечности уплотнения.Значения запредельных зазоров Ьммакс0,00026 Р существенно снижают гер 5 1820112 б основе этих точных посадок реализова правляющем цил ндро; при сг.оно сопряжение первого и последующих падении осей уплочит:;г ьныхнечетных неразрезных уплотнительных колец и направляющег:1 цилиндколец с поверхностью цилиндра с га 5ра ( = 0 при максимальномрантированным зазором (0,00018радиальном смещ.нн 1 уплотни)00025)Р.тельных колец в зазоре Ло соПри работе двигателя элементы уп- прикосновения с поверхностью лотнения нагреваются и величина зазо- направляющего цилиндра К : 1, ра в уплотнении изменяется в соответ Для материалов уплотнения; ствии со значениями коэффициентов ли- напраоляющий цилиндр - серый чунейного расширения кольца О направ- гун СЧ 25 ГОСТ 1412-79, р = 12,ляющего цилиндра 0(ц и перепадов тем- к 10 , Кператур при нагревах кольца. ЬТ и на- - уплотнительное кольцо сталь правляющего цилиндра ЬТц. 15 40 ХФА ГОСТ 4543-71, Ф к = 11 10 ",КЬ = (0,000180,00025) Рпри Р = 190 мм, перепадах температур: ЬТ), = 193 К и 6 Тк = 223 Кц -Ф, Ь) Р. (см Устинов Л Н с 120)Уплотнительные качества пары пор- ьк = (0)0150,030)Р = (0,015 шень-цилиндр оцениваются по величине 20 О, 030) 190 = 3 мм, принимаем= 3, утечек рабочего тела через зазоры: тогда при перепаде да вления рабочеготела по длине зазора 5 кг/см (см.Я - т -(1 + ",ф)н "РУстинов А.Нс.28) и динамическомкоэффициенте вязкости рабочего тела где Р - диаметр цилиндра; 25 р = 2,510 кгс/м) рассмотрим ос-бЬ - диаметральный зазор в паре новные параметры нового уплотнения;поршень-цилиндр;Р - перепад давления по длине за-Ь - зазоры при нормальном теплозора; вом состоянии уплотнения;1"- " динамический коэфФициент вяз Ь - зазоры при нагреве деталей упкости рабочего тела; лотнения," число уплотнительных колец; амик) 0 ми - утечки рабочего теЫ - осеоая высота кольца; ла через зазоры при Я: О,6 - относительный эксцентриситетмакс) 1 макс утечки рабочегоуплотнительного кольца в. на- тела через зазоры при Я = 1,35мм Яумин) мз/с (л/мин)0,0323 0,000465 (27,9)О,О 342 0,000552 (33,12)0,0408 0,000941 (56,4)0 0475 0,00148 (88,730,0493 О, 00166 (99, 36)метичность уплотнения, в сравнении с базовым серийным уплотнением утечки рабочего тела возрастают в 1,654 раза (см. Устинов А.Н,с,27), что ухудшает пусковые качества и экономичность двигателяЗазоры между нечетными уплотнительными кольцами и поверхностью проточки на жаропрочной головке поршня, 10 а также четных колец с поверхностью направляющего цилиндра= (0,0040,008) В компенсируют тепловое расширение головки поршня и разгружают уплотнительные кольца от нагрузкинормальной силой при перекладке поршня в. зазоре его направляющей части и выполнены на основе посадки Н 9/е 8 ГОСТ 25347-82 так., чтобы 0(Д ТдВ + Ь (Н 9/е 8)(00040,008) В.При Юв = 12 1 О, К, АТ 250 Ки В = 190 мм, имеем 12 10250 190 +,, пары поршень-цилиндр,Уплотнение содержит направляющий 30цилиндр 1 диаметром В и составнойпоршень 2 с от ьемнои жаропрочной головкой 5 со ступенчатой проточкой состороны корпуса направляющей частипоршня на которую поочередно установлены неразрезные кольца нечетные3 и четные.4, нижнее кольцо 4 опирается на торцевую поверхность направляющей части корпуса поршня 2, аверхнее кольцо З.опирается на торце" 40вую поверхность ступенчатой проточкина жаропрочной головке 5, ограничивающих осевую подвижность комплектауплотнительных колец 3 и 4, образую"щих поочередно диаметральные зазоры:первое и последующие нечетные кольца3 с поверхностью направляющего цилиндра 1, - (0000180,00025) Вс поверхностью проточки на жаропрочной головке 5 ". (0,0040,008) В; 50второе и последующие четные кольца 4установлены с нулевыми зазором илинатягом с поверхностью проточки нажаропрочной головке 5, образуя приэтом с поверхностью направляющего цилиндра 1 зазоры - (0,0040,008) В,.При прямоугольном поперечном сеченииуплотнительных колец 3, 4 высотавдоль оси кольца составляет (0,015 0,030) В радиальная толщина - (0,0200,040) В. Повышение герметичностиуплотнения при ограниченном количестве колец в комйлекте достигается установкой неразрезных уплотнительныхколец 7 сечением Ь-образной формы свнутренней кольцевой вставкой 8,фиг.2 и фиг.3. Общая высота Ь-образного уплотнительного кольца 7 вдольего оси составляет - (0,0400,080)В,радиальная толщина его выступающейчасти - (0,0100,020). В, высотавнутренней кольцевой вставки - (0,0250,040) В, кольцевая вставка образует нулевой зазор или натяг с поверхностью проточки на жапрочной головке поршня и зазор (0,0040,008)Ьс внутреннейповерхностью.выступающей,части уплотнительного кольца Ь-образного сечения,Уплотнение работает следующим об"разом. При движении поршня 2, основная ориентация осевого положения (соосность) уплотнительных колец 3 4 вкомплекте уплотнения относительно осиповерхности направляющего цилиндраобеспечивается направляющей частьюпоршня 2 и автоматически корректируется в процессе рабогы за счет лерекладок поршня в зазоре его направляющей части и упругих свойств неразрез"ных нечетных уплотнительных колец 3,Это создает практически бесконтактные условия уплотнения в процессе работы лабиринтного комплекта уплотни"з ельных колец. При повышении давлениярабочего тела в камере над поршнем 2,комплект неразрезных колец 3, 4 обра"зует 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 напути потока рабочего тела вдоль осиуплотнения. Гидродинамическое сопро".тивление потоку рабочего тела создается на участках с минимальными .за"ворами у первого и последующих нечетных колец 3 а увеличенные зазоры увторого и последующих четных колец 4вызывают потери напора вследствие деформации от расширения и трения потока утечек рабочего тела.Такое бесконтактное лабиринтноеуплотнение пары поршень-цилиндр приработе двигателя внутреннего сгоранияв условиях повышенных давлений, тем 1820112 10ператур рабочего тела и относительных скоростей скольжения поверхностей обладает достаточно высокой прочностью, надежно и длительно сохраняет геомет рические параметры сопряженных поверхностей элементов уплотнения, на 30404 снижает потери на трение в паре поршень-цилиндр, повышает эффективность уплотнения, надежность и 1 О 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.20Снижение работы трения и повышение уплотнительных свойств пары поршень- цилиндр в поршневых двигателях внутреннего сгорания позволяет существенно снизить удельные эффективные рас", 25 ходы топлива и смазоцного масла, что обеспечивает высокий экономический эффект от внедрения в различные отрасли народного хозяйства двигателей внутреннего сгорания с таким уплотне" ЗО нием пары поршень-цилиндр. Принцип нераэрезных уплотнительных. колец устанавливаемых в общую ступенчатую проточку сущестВенно упрощает. технолы ию производс,аа элементов комплекта уплотнения. пары поршень-цилиндр при достижении более высокой тбчнос ти их гвометрических Форм, обеспечивает высокую ремонтопригодность и снижает затраты на эксплуатацию, ремонт в паре поршень-цилиндр снижает ф удельный эффективный расход топлива на 610.,формула изобретения1. 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) П, где П - диаметр направляющего цилиндра с поверхностью проточки жаропроцной головки(0,004-0,008) П четные кольца установлены с нулевым зазором или натягом с поверхностью. проточки жаропрочной головки и с зазором (0,004- 0,008) П с поверхностью направляющего цилиндра, причем уплотнительные кольца установлены вдоль оси поршня с образованием неподвижного соединения с торцевыми поверхностями ступенчатой проточки жаропроцной головки и корпуса направляющей части поршня.2, Уплотнение по п.1, о т л и ц а ю щ е е с я тем, цто уплотнительные кольца выполнены прямоугольного сечения, высотой (0,015- 0,030) П и шириной " (0,020-0)040) П.3. Уплотнение йо п.1, о т л , ч а ю щ е е с я тем, что часть уплотнительных колец выполнена прямоугольного сечения высотой (0,015- 0,030) П и шириной - (0,020-0,040) Р, а другие выполнены ь-образного сечения с внутренней кольцевой вставкой, высота последних равна (0,040-0,080)Р, ширина выступающей части, контактирующей с цилиндром, - (0,010-0,020)П высота внутренней кольцевой вставки выполнена равной (0,025-0,040) П, при этом внутренняя кольцевая вставка ус-. тановлена с нулевым зазором или натя". гом с поверхностью проточки жаропроцной головки и зазором (0,004-0,008) П с выступающей частью Ь-образного уплотнительного кольца.