УПЛОТНЕНИЕ ПАРЫ ПОРШЕНЬ - ЦИЛИНДР ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F16J9/00 

Изобретение относится к области машиностроения 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 трущихся поверхностей, преимущественно в поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Известны уплотнения пары поршень - цилиндр, в которых компрессионное кольцо выполнено с пазом на наружной рабочей поверхности. Паз проходит по окружности поршневого компрессионного кольца, и его глубина составляет половину ширины поршневого кольца. Цель конструкции - увеличить долговечность и качество уплотнения за счет улучшения условий смазки уплотнительных поршневых колец и поршня. При работе во внутреннею полость уплотнительного кольца попадает смазывающее масло, когда поршень совершает рабочий ход, давление газов воздействует на верхнюю часть кольца, тем самым выдавливая масло из паза в зазор между уплотнительным кольцом и цилиндром (см. Швейцария, N 656684, кл. F 16 J 9/20, 1987 г.).

Разрезные уплотнительные поршневые кольца вызывают неравномерный износ поверхности направляющего цилиндра вдоль его оси, образуя на ней различные 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 направляющего цилиндра, это в свою очередь приводит к снижению герметичности уплотнения и ухудшению технико- экономических показателей двигателя внутреннего сгорания. Кроме того разрезные уплотнительные кольца обладают меньшей долговечностью, чем поршень или цилиндр, и являются частой причиной выхода из строя двигателя внутреннего сгорания. Разрезные уплотнительные кольца значительно снижают механический КПД двигателя внутреннего сгорания из-за потерь на преодоление трения, которое возникает в результате плохих условий смазки и относительно большого удельного давления уплотнительных колец на стенки гильзы цилиндра, что необходимо для обеспечения герметичности при такой конструкции уплотнительных поршневых колец.

В качестве прототипа предлагаемой конструкции уплотнения выбрана конструкция уплотнения пары поршень - цилиндр двигателя внутреннего сгорания, предложенной в а.с. СССР N 1820112, 1993 г., содержащее цилиндр и поршень с уплотнительными кольцами, отличающиеся 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 (0,004 - 0,008)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.

Уплотнительные кольца выполнены прямоугольного сечения высотой (0,015 - 0,030)D и шириной (0,020 - 0,040)D.

Часть уплотнительных 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)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.

В числе недостатков принятого прототипа отметим следующие:
пониженный ресурс работы пары цилиндр - поршень со стальными неразрезными кольцами за счет создания необходимого зазора между поверхностью цилиндра и уплотнительных колец для обеспечения подвижности;
не исключается возможность заклинивания поршня в цилиндре при тепловых колебаниях и технологических ошибках во время сборки с использованием стальных неразрезных колец с уменьшенным зазором;
невозможность использования сопряжения с натягом в соединении цилиндр - поршень с уплотнительными стальными кольцами;
снижается качество уплотнения за счет наличия обязательного зазора между поверхностью цилиндра и уплотнительными кольцами;
технологические трудности, связанные с достижением требуемого зазора между цилиндром и уплотнительными кольцами.

Задачей настоящего изобретения является повышение работоспособности и долговечности уплотнения пары поршень - цилиндр, работающей в условиях повышенных давлений, температур рабочего тела и относительных скоростей скольжения трущихся поверхностей, поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Для достижения этой задачи предлагается новая конструкция уплотнения пары поршень - цилиндр. Уплотнение пары поршень - цилиндр содержит направляющий цилиндр и поршень со съемной жаропрочной головкой, с уплотнительными неразрезными кольцами, установленными в общую ступенчатую проточку на поршне со стороны надпоршневого объема на проставочных кольцах в чередующемся порядке с диаметральными зазорами соответственно: уплотнительные кольца с поверхностью направляющего цилиндра с натягом, размер которого обеспечит радиальное давление колец на стенки цилиндра в пределах 0.1-0.6 МПа, с поверхностью проставочного кольца (0.004- 0.008)D, проставочные кольца с поверхностью направляющего цилиндра (0.004-0.008)D, с поверхностью поршня с нулевым зазором или натягом. Комплект неразрезных колец и проставочных колец установлен вдоль оси поршня с образованием неподвижного соединения между торцевыми поверхностями ступенчатой проточки на корпусе направляющей части поршня и съемной головки поршня.

Уплотнительные неразрезные кольца изготовлены из порошкового материала. Уплотнительные кольца изготовлены из порошкового материала как наиболее подходящего по следующим причинам. Порошковый материал хорошо себя зарекомендовал при изготовлении и эксплуатации разрезных компрессионных колец двигателей внутреннего сгорания и по износостойкости приближается к кольцам с хромированным покрытием. Например, для изготовления поршневых уплотнительных колец применяли порошковый материал следующего состава на основе железного порошка: 3-3.5 % графита, 4 % хрома. Испытания показали, что износостойкость его в 2.0-2.5 раза выше, чем у чугуна, и приближается к износостойкости чугунных поршневых колец с хромированным покрытием (Композиционные спеченные антифрикционные материалы. Федорченко И. М., Пучина Л. И. Киев, 1980 г.).

Пористый порошковый материал обладает отличительными особенностями, объективно способствующими повышению ряда эксплуатационных характеристик изделий (в сравнении с монолитным материалом), что весьма важно при использовании его для изготовления неразрезных уплотнительных колец. Порошковый материал за счет остаточной пористости хорошо удерживает смазку, в результате снижается коэффициент трения, повышается износостойкость, обладает повышенной прирабатываемостью. Уплотнительные кольца из этого материала быстро принимают форму цилиндров, исключается возможность заклинивания поршней в цилиндре за счет повышенной податливости, что допускает для подвижных соединений (цилиндр-поршень с неразрезными уплотнительными кольцами) сопряжения с натягом. Хорошая технологичность для получения требуемого сопряжения, достигаемых подгонкой путем прессования и объемной деформацией уплотнительных колец в наборе калибровочных матриц.

На чертеже изображен общий вид уплотнения пары поршень - цилиндр двигателя внутреннего сгорания. Уплотнение содержит направляющий цилиндр 1 диаметром D и поршень 2 со съемной жаропрочной головкой 3 с комплектом пористых неразрезных уплотнительных колец 4, установленных на проставочные кольца 5 L - образной формы: нижнее проставочное кольцо 5 опирается на торцевую поверхность ступенчатой проточки поршня 2, а верхнее проставочное кольцо 5 опирается на торцевую поверхность жаростойкой головки поршня 3, ограничивающих осевую подвижность комплекта уплотнительных 4 и проставочных 5 колец. Уплотнительные кольца 4 выполняются прямоугольного сечения высотой (0.015-0.003)D и шириной (0.020-0.040)D, где D - диаметр направляющего цилиндра. Проставочные кольца 5 изготавливаются из монолитного материала. Зазор между торцевыми поверхностями уплотнительных и проставочных колец составляет 0,01-0,05 мм.

Уплотнение работает следующим образом. При движении поршня 2 основная ориентация осевого положения (соосность) уплотнительных 4 и проставочных 5 колец 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 уплотнительных колец 4. При повышении давления рабочего тела в камере сгорания над поршнем 2 комплект уплотнительных колец 4 благодаря предварительному натягу, с которым они установлены в направляющий цилиндр 1, образует контактное уплотнение для потока рабочего тела, плотно прилегая к стенкам цилиндра 1, препятствуя проходу рабочего тела вдоль оси уплотнения.

Такое контактное уплотнение пары поршень - цилиндр при работе двигателя внутреннего сгорания в условиях повышенных давлений, температур рабочего тела и относительных скоростей скольжения трущихся поверхностей обладает достаточно высокой прочностью, на 30-40 % снижает потери на трение в паре поршень - цилиндр, повышает эффективность уплотнения, надежность и долговечность его основных элементов. В процессе работы уплотнительные кольца, притираясь, уменьшают свое давление на стенки цилиндра, что в свою очередь ведет к снижению интенсивности износа и уменьшению потерь на трение, при этом благодаря приработке сопрягаемых поверхностей цилиндра и уплотнительных колец сохраняют уплотнительные свойства. Удержание смазочного масла в порах порошкового материала, из которого изготовлены уплотнительные кольца, существенно повышает эффект уплотнения и снижает потери на трение. Снижение потерь на работу трения и повышение уплотнительных свойств пары поршень - цилиндр в поршневых двигателях внутреннего сгорания позволяет снизить удельные эффективные расходы топлива и смазочного масла.

Ресурс надежной работы предлагаемой конструкции пары поршень - цилиндр с использованием неразрезных пористых порошковых уплотнительных колец, устанавливаемых в цилиндр с натягом, определяется моментом достижения суммарного проходного сечения между поверхностью цилиндра и уплотнительными кольцами и между торцевыми поверхностями уплотнительных и проставочных колец, сопоставимого с проходным сечением для рабочего тела в обычной конструкции изношенной пары цилиндр - поршень с разрезными кольцами через замки и торцевые зазоры между кольцами и телом канавок поршня.

Работоспособность предлагаемой конструкции уплотнения пары поршень - цилиндр с использованием неразрезных пористых порошковых уплотнительных колец, устанавливаемых в цилиндр с натягом, проверена на двигателе СМД14. Стендовые испытания показали, что двигатель развивает номинальную мощность, температурный режим (масла и охлаждающей жидкости) находится в пределах нормы.

Уплотнение относится к области машиностроения 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 трущихся поверхностей, преимущественно в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Уплотнение пары поршень - цилиндр двигателя внутреннего сгорания содержит направляющий цилиндр и поршень со съемной жаропрочной головкой. Уплотнительные неразрезные кольца установлены в общую ступенчатую проточку на поршне со стороны надпоршневого объема на проставочных кольцах. Уплотнительные кольца выполнены из пористого порошкового материала, установлены с натягом в направляющий цилиндр. Изобретение повышает надежность. 1 ил.

Уплотнение пары поршень - цилиндр двигателя внутреннего сгорания, содержащее направляющий цилиндр и поршень со съемной жаропрочной головкой, с уплотнительными неразрезными кольцами, установленными в общую ступенчатую проточку на поршне со стороны надпоршневого объема на проставочных кольцах, отличающееся тем, что уплотнительные кольца выполнены из пористого порошкового материала и устанавливаются с натягом в направляющий цилиндр.