close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY11875

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.04.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 11875
(13) C1
(19)
F 02F 11/00
F 16J 15/02
УПЛОТНЕНИЕ ГОЛОВКИ БЛОКА ЦИЛИНДРОВ
ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ)
(21) Номер заявки: a 20070133
(22) 2007.02.07
(43) 2008.10.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Объединенный институт машиностроения Национальной
академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Маньшин Геральд Григорьевич; Лобач Николай Иванович;
Анушкевич Игорь Константинович;
Дробышевский Чеслав Брониславович; Стародетко Константин Евгеньевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Объединенный
институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) SU 1838649 A3, 1993.
BY 634 C1, 1994.
SU 1399551 A1, 1988.
RU 2164307 C2, 2001.
RU 2232280 C1, 2004.
RU 2240436 C2, 2004.
EP 0468654 A1, 1992.
US 5377643 A, 1995.
BY 11875 C1 2009.04.30
(57)
1. Уплотнение головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, преимущественно двигателя с блоком цилиндров, изготовленным моноблочно, содержащее металлические уплотнительные кольца, установленные между головкой блока цилиндров и блоком
цилиндров, металлические уплотнительные прокладки, установленные концентрично металлическим уплотнительным кольцам, отличающееся тем, что каждое металлическое
уплотнительное кольцо вставлено в выполненную в каждом цилиндре кольцевую канавку,
Фиг. 1
BY 11875 C1 2009.04.30
внутренняя цилиндрическая поверхность которой в верхней части переходит в коническую, металлические уплотнительные кольца выполнены с цилиндрической опорной поверхностью в нижней части и наклонной, в форме трапеции, верхней частью; верхний
торец металлических уплотнительных колец выполнен коническим, а каждая металлическая уплотнительная прокладка выполнена в сечении треугольной формы и установлена
между наклонной поверхностью металлического уплотнительного кольца и цилиндрической боковой поверхностью кольцевой канавки.
2. Уплотнение головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, преимущественно двигателя с блоком цилиндров, изготовленным моноблочно, содержащее металлические уплотнительные кольца, установленные между головкой блока цилиндров и
блоком цилиндров, металлические уплотнительные прокладки, установленные концентрично металлическим уплотнительным кольцам, отличающееся тем, что каждое металлическое уплотнительное кольцо вставлено в выполненную в каждом цилиндре
кольцевую канавку, в которой боковые цилиндрические поверхности в их верхней части
переходят в конические, металлические уплотнительные кольца выполнены с цилиндрической опорной поверхностью в нижней части и наклонной, в форме трапеции, верхней
частью, причем верхний торец металлических уплотнительных колец выполнен коническим, а каждая металлическая уплотнительная прокладка выполнена в сечении треугольной формы и установлена между наклонной поверхностью металлического уплотнительного кольца и конической боковой поверхностью кольцевой канавки.
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности к уплотнениям головки блока цилиндров.
Известны различные типы уплотнений, в том числе и уплотнения для жестких стыков.
Уплотнение для жестких стыков, типа металл по металлу, часто осуществляется путем установки на стыкуемых поверхностях утопленных упругих прокладок [1]. Прокладки устанавливаются в канавки, выполненные по окружности, и выступают над поверхностью
стыка на строго определенную величину, зависящую от материала прокладки и требуемой
силы уплотнения. Обычно прокладки в сечении имеют прямоугольную форму. Для увеличения герметичности на уплотняемых поверхностях делают мелкие канавки, в которые
затекает деформируемый материал прокладки. С той же целью прокладку делают гребенчатой. При затяжке гребешки сминаются, образуя ряд канавок, действующих подобно лабиринтному уплотнению. Для стыков, работающих при повышенных температурах,
применяют пластичные металлы: алюминий, отожженную красную медь. Хорошее уплотнение обеспечивают прокладки из красной меди с гальваническим кадмиевым покрытием.
У двигателей внутреннего сгорания, кроме повышенной температуры деталей, давление сгорания газов не является постоянным, а меняется от максимума (например, у дизелей с высоким наддувом достигает 18 МПа) до минимума (на тактах впуска и выпуска 0,25 МПа). Таким образом, при достижении максимального давления сгорания болты крепления головки получают дополнительную, упругую деформацию, то есть удлиняются на
определенную величину. В этот момент усилие прижима уплотнительного кольца падает.
Например, если кольцо из красной меди или стали пластично и не имеет упругой деформации, то после непродолжительной работы начинает пропускать рабочие газы.
Широко применяемые на двигателях асбостальные прокладки с металлической окантовкой цилиндровых отверстий также исчерпали свои возможности. Упругая деформация
у них невысока, а в процессе продолжительной работы практически сводится к нулю, и
начинается прорыв рабочих газов, что приводит к аварии двигателя.
Известны двигатели внутреннего сгорания, у которых уплотнение головки блока цилиндров осуществляется путем установки в кольцевую расточку головки стального кольца. Дизели ЯМЗ-240М2; ЯМЗ-240ПМ2; ЯМЗ-240НМ2 имеют вставные гильзы цилиндра,
2
BY 11875 C1 2009.04.30
верхним опорным пояском опирающиеся на бурт, выполненный в блоке под посадку
гильзы [2]. В процессе работы дизеля в результате длительного воздействия статических,
динамических и тепловых нагрузок происходит деформация кольца, возникает релаксация
(остаточная деформация). Усилие прижима кольца при этом падает и под действием газовых сил начинается пульсация кольца (микроперемещение), прорыв газов и локальный
износ сопрягаемых деталей.
Известно уплотнение газового стыка двигателей внутреннего сгорания, представляющее собой прокладку головки с расположенным в ней защитным кольцом из огнестойкого, пластичного материала с утолщенной частью и буртами. Защитное кольцо снабжено
вставкой, расположенной на торце эквидистантно относительно внутренней поверхности
с возможностью выступания над поверхностью торца кольца [3]. Тем не менее, надежность такого уплотнения очень низка, так как само защитное кольцо, как указано в описании изобретения, выполнено из пластичного материала. Вставки, которые должны
повысить надежность уплотнения, просто вдавливаются в пластичный материал. То есть
защитное кольцо со вставками не имеет упругости и не может компенсировать микроперемещение головки цилиндров при максимальном давлении сгорания газов и упругом удлинении болтов крепления головки цилиндров.
Известно уплотнение головки цилиндра двигателя внутреннего сгорания, содержащее
гильзу цилиндра с опорным буртом, уплотнительное Г-образное стальное кольцо, установленное под опорным буртом и уплотнительную прокладку, поверхность которой со
стороны гильзы цилиндра снабжена кольцевой выемкой [4]. Однако герметичность указанного уплотнения не может быть надежно обеспечена по следующим причинам. Высота
кольца, в сравнении с рабочей длиной болтов крепления головки цилиндров, в реальной
конструкции на порядок меньше. Настолько же меньше и величина абсолютной, упругой
деформации, то есть упругая деформация незначительна. При работе двигателя и пульсации давления газов контакт кольца с прокладкой будет изменяться с такой же частотой от
максимального удельного давления до минимального удельного давления, вплоть до раскрытия стыка и прорыва газов. Кроме того, такая конструкция с Г-образным кольцом увеличивает разброс выступания бурта гильзы, а следовательно, и разброс по надежности
уплотнения. Такое кольцо ухудшает фиксацию гильзы цилиндра и увеличивает величину
проседания опорного бурта гильзы в процессе эксплуатации двигателя.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является уплотнение головки цилиндра поршневой машины, преимущественно двигателя внутреннего сгорания со съемными гильзами блока цилиндров, предназначенное для уплотнения газового стыка между
головкой и гильзой цилиндров [5]. Съемная гильза цилиндра имеет бурт и снабжена кольцевым выступом (ребром) на верхней поверхности бурта, на который ставится уплотнительное кольцо прямоугольного профиля, постоянной толщины из металлического
материала. Уплотнительное кольцо расположено между торцовой поверхностью гильзы,
снабженной центрирующим элементом, и поверхностью головки блока цилиндров, в которой выполнена концентрично расположенная кольцевая канавка. Кроме того, между головкой и блоком цилиндров устанавливается металлическая прокладка, толщина которой
меньше суммарной высоты выступающей части бурта гильзы и уплотнительного кольца
прямоугольной формы. При затяжке болтов крепления головки цилиндров прямоугольное
кольцо пластически деформируется и заполняет кольцевую канавку в головке цилиндров,
а кольцевой выступ бурта вдавливается в нижний торец кольца. При этом выбирается зазор между головкой цилиндров и прокладкой.
Недостатком уплотнения головки блока цилиндров является наличие съемной гильзы
цилиндров и наличие для данной конструкции недопустимых нагрузок на опорные бурты
блока цилиндров и гильзы цилиндров.
Действительно, если предположить, что прямоугольное стальное кольцо выполнено с
минимально возможным сечением 4×4 со средним диаметром 130 мм (диаметр цилиндра в
3
BY 11875 C1 2009.04.30
этом случае 110 мм), то для достижения пластической деформации и затекания металла в
кольцевую канавку в головке необходимо усилие 100-120 тонн. Это приведет к недопустимой деформации перемычек между цилиндрами и самих гильз цилиндров, что, в свою
очередь, сделает двигатель неработоспособным. У дизелей усилие прижима головки цилиндров к уплотняющей поверхности вокруг одного цилиндра достигает 35 тонн, однако
это давление распределяется по большой площади. Тем не менее, деформация перемычек
между цилиндрами и самих гильз цилиндров достигает предельно допустимых значений,
что связано с конструкцией. Съемная гильза на порядок снижает жесткость верхней плиты
блока цилиндров в сравнении с моноблоком.
Также явно недостаточная упругость уплотнительного кольца, так как при малой высоте кольца абсолютная величина упругой деформации незначительна и кольцо работает в
зоне пластической деформации, а значит, компенсировать макроперемещение головки цилиндров при работе двигателя не может.
Задачей изобретения является повышение надежности уплотнений между блоком цилиндров и головкой блока цилиндров и обеспечение надежной работы двигателя внутреннего сгорания за счет повышения упругости уплотнений.
Задача решена в двух вариантах следующим образом.
Уплотнение головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, преимущественно двигателя с блоком цилиндров, изготовленным моноблочно (вариант 1), содержит
металлические уплотнительные кольца, установленные между головкой блока цилиндров
и блоком цилиндров, и металлические уплотнительное прокладки, установленные концентрично металлическим уплотнительным кольцам. Каждое металлическое уплотнительное
кольцо вставлено в выполненную в каждом цилиндре кольцевую канавку, внутренняя цилиндрическая поверхность которой в верхней части переходит в коническую поверхность.
Металлические уплотнительные кольца выполнены с цилиндрической опорной поверхностью в нижней части и наклонной, в форме трапеции, верхней частью. Верхний торец металлических уплотнительных колец выполнен коническим, а каждая металлическая
уплотнительная прокладка выполнена в сечении треугольной формы и установлена между
наклонной поверхностью металлического уплотнительного кольца и цилиндрической боковой поверхностью кольцевой канавки.
Уплотнение головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, преимущественно двигателя с блоком цилиндров, изготовленным моноблочно (вариант 2), содержит
металлические уплотнительные кольца, установленные между головкой блока цилиндров
и блоком цилиндров, и металлические уплотнительные прокладки, установленные концентрично металлическим уплотнительным кольцам. Каждое металлическое уплотнительное кольцо вставлено в выполненную в каждом цилиндре кольцевую канавку,
боковые цилиндрические поверхности которой в верхней части переходят в конические
поверхности. Металлические уплотнительные кольца выполнены с цилиндрической опорной поверхностью в нижней части и наклонной, в форме трапеции, верхней частью. Верхний торец металлических уплотнительных колец выполнен коническим, а каждая
металлическая уплотнительная прокладка выполнена в сечении треугольной формы и установлена между наклонной поверхностью металлического уплотнительного кольца и конической боковой поверхностью кольцевой канавки.
На фиг. 1 показано уплотнение головки блока цилиндров двигателя (вариант 1) до затяжки болтов крепления.
На фиг. 2 показано уплотнение головки блока цилиндров двигателя после затяжки
болтов.
На фиг. 3 показано уплотнение головки блока цилиндров двигателя (вариант 2) до затяжки болтов крепления.
На фиг. 4 показано уплотнение головки блока цилиндров двигателя после затяжки
болтов.
4
BY 11875 C1 2009.04.30
Уплотнение (вариант 1), показанное на фиг. 1 и 2, содержит блок цилиндров 1, изготовленный моноблочно, в котором концентрично каждому цилиндру 2 выполнена кольцевая канавка 3 с конической поверхностью 4 в ее верхней части. В канавку вставляется
металлическое уплотнительное кольцо 5, имеющее цилиндрическую опорную часть 6 и
наклонную к конической поверхности 4 под углом β1 часть 7. Верхний торец кольца 5
имеет коническую поверхность 9, образующую с поверхностью 10 головки блока цилиндров 11 острый угол α, который выбирается при затяжке болтов крепления головки цилиндров. Металлическая уплотнительная прокладка 12 имеет треугольную форму в
радиальном сечении и вставляется между верхней наклонной частью 7 кольца 5 и цилиндрической поверхностью 8 канавки 3. Причем угол конусности кольца в сечении β2 больше
угла β1 и больше угла трения. Таким образом, металлическая уплотнительная прокладка
12 не заклинивается, а под действием сил упругости постоянно прижимается торцем 13 к
поверхности 10 головки блока цилиндров 11. Прокладка 14 выполняет функции уплотнения охлаждающей жидкости.
Уплотнение (вариант 2), показанное на фиг. 3 и 4, отличается тем, что кольцевая канавка 3, кроме конической поверхности 4, имеет также коническую поверхность 15, а металлическая уплотнительная прокладка 12 имеет относительно центральной оси 16 углы
β1 и β2, каждый из которых больше угла трения. Причем угол наклона верхней части 7 металлического уплотнительного кольца 5 β3 меньше β2.
Металлическое уплотнительное кольцо 5 упирается торцом 9 в поверхность 10 головки блока цилиндров 11, а металлическая уплотнительная прокладка 12, перемещаясь
внутрь канавки 3, изгибает верхнюю наклонную часть 7 кольца 5 и прижимает ее к конической поверхности 4 канавки 3 при затяжке болтов крепления головки блока цилиндров,
обеспечивая при этом уплотнение.
Уплотнение (вариант 1) работает следующим образом. Металлическая уплотнительная
прокладка 12 при затяжке болтов крепления головки блока цилиндров, перемещается относительно наклонной части 7 металлического уплотнительного кольца 5 за счет того, что
угол β2 больше угла β1. При этом прижимает наклонную часть 7 кольца 5 к фаске 4 канавки
3, расклинивает его и создает упругое клиновое уплотнение, при котором торцы 9 и 13,
упираясь в поверхность головки цилиндров 11, создают уплотнение. При этом угол α становится равным нулю, что обеспечивает контакт по всей поверхности торца 9. Благодаря
соответствующему углу конуса сечения β2 металлической уплотнительной прокладки 12,
который больше угла трения, возникает выталкивающая сила, которая постоянно прижимает прокладку 12 к бурту гильзы вне зависимости от воздействия газовой силы. При пульсации давления газов металлическое уплотнительное кольцо 5 в силу упругой деформации
следует за микроперемещением головки цилиндров 11 и сохраняет уплотняющую функцию. Для повышения уплотняющей способности торец 9 уплотнительного кольца 5 и торец
13 уплотнительной прокладки 12 могут иметь покрытие из пластичного материала.
Уплотнение по варианту 2 работает следующим образом. При затяжке болтов крепления головки цилиндров прокладка 12, скользя относительно конической поверхности 15,
получает осевое и радиальное перемещение и в конце затяжки болтов крепления радиальное перемещение составит некоторую величину ∆R, то есть за счет упругого сжатия прокладка уменьшится по диаметру [7]. При этом возникает постоянная составляющая
упругой силы, выталкивающая прокладку из канавки и прижимающая ее к нижней плоскости 10 головки цилиндров 11, следовательно, надежность уплотнения головки цилиндров повышается.
Таким образом, металлическое уплотнительное кольцо и металлическая уплотнительная прокладка жестко фиксируются относительно блока цилиндров, головка блока цилиндров не имеет перемещения относительно бурта гильзы при максимальных значениях
давления сгорания за счет сил упругости сопрягаемых деталей, компенсирующих пульсирующее удлинение болтов крепления при возникновении силы давления газов. Металли5
BY 11875 C1 2009.04.30
ческое уплотнительное кольцо и металлическая уплотнительная прокладка имеют значительно большую площадь теплоотвода в сравнении с площадью подвода тепла от рабочих
газов, поэтому их физические характеристики не меняются.
Источники информации:
1. Орлов П.И. Основы конструирования // Справочно-методическое пособие. - М.:
Машиностроение, 1988. - С. 511.
2. Каталог изделий ЯМЗ. ОАО "Автодизель" (ЯМЗ). Россия, 150040. - С. 14.
3. А.с. СССР 1838649, МПК F 02F 11/00, F 16J 15/06, 1982.
4. А.с. СССР 985373, МПК F 02F 11/00, F 16J 15/06, 1979.
5. А.с. СССР 1838649, МПК F 02F 11/00, F 16J 15/06, 1982 (прототип).
6. Проспект фирмы DEUTZ AG. Deutz-Mülheimer Str. 147-149 1013 Е. Der LandechnikMotor. Best-Nr 00311728/02/99/MM-V.
7. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. Государственное издательство техникотеоретической литературы. - М., 1954.
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
420 Кб
Теги
by11875, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа