уплотнение пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

Уплотнение пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания, содержащее направляющий цилиндр и поршень с выполненными разъемными с двумя разрезами уплотнительными кольцами, которые пружинными расширителями прижаты к стенкам цилиндра, отличающееся тем, что уплотнительные кольца установлены в поршневые канавки без зазоров в стыках, зазор между торцевыми поверхностями поршневых канавок и уплотнительными кольцами составляет 0,01-0,03 мм, а кольца выполнены из пористого порошкового материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для уплотнения пары поршень-цилиндр, преимущественно в поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Уплотнительные кольца работают в тяжелых условиях: при высокой температуре и ограниченной смазке. Они должны обладать следующими свойствами: хорошей упругостью, противозадирной стойкостью, маслоудерживающей способностью, усталостной прочностью, хорошей прирабатываемостью, высокой износостойкостью.

Согласно предъявляемым требованиям кольца изготавливаются из соответствующих материалов, подвергаются термофиксации и термообработке для обеспечения упругости и создания определенного давления на стенки цилиндра с целью улучшения качества уплотнения. Для обеспечения маслоудерживающей способности и лучшей прирабатываемости кольца выполняются с покрытиями из пористого хрома, применяемыми для верхнего компрессионного кольца. Толщина пористого хрома невелика. Например, для двигателя СМД-14 она составляет 0,04 мм, а после притирки - 0,02 мм. Остальные кольца нередко выполняют минутными для ускорения приработки. Большие колебания температуры требуют постановки колец с зазором в стыке в пределах 0,2...0,6 мм в зависимости от конструкции двигателя. Вследствие этого эпюра давлений колец на стенки цилиндра отличается большой неравномерностью, наибольшие давления наблюдаются в зоне стыка кольца, что ведет к неравномерному износу колец и цилиндра и соответствующему ухудшению уплотнения.

Следует отметить, что при установке колец на поршни их растягивают, в результате происходит искажение формы, а также возможна поломка колец.

Известно уплотнение пары поршень-цилиндр, в котором компрессионные кольца выполнены с пазом на наружной рабочей поверхности. Паз проходит по окружности поршневого компрессионного кольца, его глубина составляет половину ширины поршневого кольца. Цель конструкции - увеличить долговечность и качество уплотнения за счет улучшения условий смазки уплотнительных поршневых колец и цилиндра. При работе во внутреннюю полость уплотнительного кольца попадает смазывающее масло, и 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 (патент Швейцарии 656684, кл. F 16 J 9/20, 1987 г.).

Заслуживают внимания пористые порошковые материалы для изготовления уплотнительных колец двигателей. Кольца из этих материалов обладают хорошей маслоудерживающей способностью, ускоренной прирабатываемостью, повышенной износостойкостью. Например, порошковый материал на железной основе, содержащий 3-3,5% графита, 4% хрома при испытаниях показал износостойкость в 2-2,5 раза выше, чем у чугуна (Композиционные антифрикционные материалы. Федорченко И.М., Пугина Л.И. Киев, 1980 г.).

Пористые порошковые кольца традиционной конструкции не получили широкого использования из-за низкой упругости, ухудшающей качество уплотнения.

В качестве прототипа предлагаемой конструкции уплотнения выбрана конструкция уплотнения пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания, предложенная в патенте 44966068, 1990 г. (США), содержащая направляющий цилиндр и поршень с разъемными кольцами, которые имеют два разреза и установлены в поршневые канавки с расширителями. Цилиндры, поршни и поршневые кольца изготовлены из керамического материала. Канавки имеют глубину большую, чем суммарные радиальные размеры поршневых колец и пружинящих элементов - расширителей, размещающихся между основаниями канавок и поршневыми кольцами. В этой конструкции могут использоваться расширители различных видов: цилиндрические из пружинной стали с гофрированной поверхностью или раздельные керамические элементы, выполняющие одинаковую задачу - прижим поршневых колец к стенкам цилиндра. Размеры поршневых колец в осевом и радиальном направлениях находятся в пределах 0,02...0,04 от диаметра поршня D, зазоры в стыках колец приблизительно составляют 0,01D.

Недостатки принятого прототипа следующие:

- трудности механической обработки поршневых колец, изготовленных из керамического материала;

- наличие зазоров в стыках колец, за счет чего снижается качество уплотнения.

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

Эта задача решается предложенной новой конструкцией уплотнения пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания. Уплотнение содержит направляющий цилиндр и поршень с выполненными разъемными с двумя разрезами уплотнительными кольцами, которые пружинными расширителями прижаты к стенкам цилиндра, при этом уплотнительные кольца установлены в поршневые канавки без зазоров в стыках, зазор между торцевыми поверхностями поршневых канавок и уплотнительными кольцами составляет 0,01...0,03 мм, а кольца изготовлены из пористого порошкового материала.

На чертеже представлен общий вид конструкции уплотнения пары поршень-цилиндр двигателя внутреннего сгорания.

В поршне 1 размещены разъемные порошковые кольца 2, которые пружинными расширителями 3 прижимаются к стенкам цилиндра 4. Пористые уплотнительные кольца 2 устанавливаются в поршневые канавки 5 без зазоров в стыках 6, имеют прямоугольное сечение высотой (0,015...0,03)D и шириной (0,02...0,04)D. Зазор между торцевыми поверхностями поршневых канавок и уплотнительными кольцами составляет 0,01...0,03 мм.

Отсутствие зазоров в стыках колец не осложняет работу двигателя из-за возможного заклинивания поршней в цилиндре, так как пористые порошковые кольца обладают свойством податливости и быстрой прирабатываемости, а коэффициент линейного расширения пористого материала меньший, чем компактного материала. Такие свойства пористого порошкового материала были выявлены на неразрезных кольцах, устанавливавшихся в цилиндр с натягом. Пористые кольца могут подвергаться пропитке маслом, что является благоприятным для их работы в условиях ограниченной смазки, например, в момент пуска двигателя.

Разъемная конструкция колец создает благоприятные условия для их установки в канавки поршня, при монтаже не происходит их деформирования, т.к. не требуется их растягивания, обязательно выполняемого при установке разрезных колец.

Уплотнение работает следующим образом. При движении поршня 1 уплотнительные кольца 2 пружинными расширителями 3 плотно прижимаются к стенкам цилиндра 4, обеспечивая качественное уплотнение. По мере износа трущейся пары уплотнительное кольцо-цилиндр обеспечивается сохранение качества уплотнения за счет прижима колец расширителями 3.

Предлагаемая конструкция уплотнительных колец позволяет полностью реализовать достоинства и преимущества пористого порошкового материала в сравнении с компактными кольцами по маслоудерживающей способности, противозадирной стойкости, хорошей и быстрой прирабатываемости, высокой износостойкости, меньшим потерям на трение, что обеспечит повышенный ресурс работы цилиндро-поршневой группы двигателя внутреннего сгорания.

К пористым порошковым кольцам новой конструкции, работающим только на сжатие, не предъявляются требования по упругости, что особенно важно для разрезных порошковых колец традиционной конструкции. В требованиях по упругости нет необходимости вследствие использования пружинных расширителей, обеспечивающих надежный прижим колец к стенкам цилиндра и компенсацию износа при эксплуатации двигателя. Это обстоятельство позволяет использовать порошковые кольца с повышенной пористостью и, соответственно, лучшей маслоудерживающей способностью.

Изготовление пористых порошковых колец осуществляется путем прессования и спекания при минимальном расходе материала на доводочные операции - шлифование торцевой поверхности колец. Требуемая точность диаметрального размера достигается калибровкой в матрице. Из этого следует, что использование методов порошковой металлургии для изготовления пористых уплотнительных колец несоизмеримо с расходом материала и трудоемкостью при производстве разрезных колец из компактного материала по традиционной технологии, применяемой в настоящее время, когда коэффициент использования металла нередко находится на уровне нескольких процентов.

Заслуживающим внимания является и то обстоятельство, что изготовление изделий методами порошковой металлургии может осуществляться на прессах-автоматах с производительностью одного пресса 5-7 тысяч колец в смену.