Уплотнение головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УПЛОТНЕНИЕ ГОЛОВКИ БЛОКА ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Маньшин Геральд Григорьевич Лобач Николай Иванович Анушкевич Игорь Константинович Дробышевский Чеслав Брониславович Стародетко Константин Евгеньевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Уплотнение головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, преимущественно со съемной гильзой цилиндра, снабженной буртом, содержащее уплотнительное кольцо, установленное между торцевой поверхностью гильзы и головкой блока цилиндров, и уплотнительную металлическую прокладку, установленную концентрично уплотнительному кольцу, отличающееся тем, что в головке блока цилиндров выполнена кольцевая канавка, снабженная в нижней своей части фаской, в которую вставлено уплотнительное кольцо, имеющее цилиндрическую форму в верхней своей части, и наклонную 37922007.08.30 к цилиндру нижнюю часть, причем нижний торец уплотнительного кольца выполнен коническим, а уплотнительная металлическая прокладка имеет в сечении треугольную форму и установлена между наклонной поверхностью уплотнительного кольца и внутренней боковой поверхностью кольцевой канавки. 2. Уплотнение по п. 1, отличающееся тем, что отношение ширины торца конической поверхности уплотнительного кольца к ширине торца уплотнительной прокладки составляет 1,00,5-1,0.(56) 1. Орлов П.И. Основы конструирования Справочно-методическое пособие. - М. Машиностроение, 1988. - С. 511. 2. Каталог изделий ЯМЗ. ОАО Автодизель (ЯМЗ). - Россия, 150040, Ярославль,пр. Октября, 75. - 1999. - С. 14. 3. А.с.1312219, П 02 11/00, 1987. 4. А.с.985373, МПК 02 11/00,16 15/06, 1979. 5. Патент 1838649, МПК 02 11/00 и 16 15/06, 1982 (прототип). Предлагаемая полезная модель 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 газов не является постоянным, а меняется от максимума (например, у дизелей с высоким наддувом давление сгорания достигает 18 МПа) до минимума на тактах впуска и выпуска (0,2-0,5 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. И если, например, 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-240 М 2 ЯМЗ-240 ПМ 2 ЯМЗ-240 НМ 2 имеют вставные гильзы цилиндра,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 2(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, 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 предлагаемой полезной модели является уплотнение головки цилиндра поршневых машин, преимущественно двигателя внутреннего со съемными гильзами блока цилиндров, предназначенное для уплотнения газового стыка между головкой и гильзой цилиндра. 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(как это следует из рисунков и описания) 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 5. Недостатком рассмотренного уплотнения головки блока цилиндров является наличие недопустимых нагрузок на опорные бурты блока цилиндров и гильзы цилиндров. Действительно, если предположить, что прямоугольное стальное кольцо выполнено с минимально возможным сечением 44 со средним диаметром 130 мм (диаметр цилиндра в 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 3 37922007.08.30 очередь, сделает двигатель неработоспособным. У дизельных двигателей 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 гильз цилиндров достигает предельно допустимых значений. 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. Следует отметить, что проблема обеспечения надежной работы уплотнения головки цилиндров в пределах моторесурса дизельного двигателя до настоящего времени не решена. И основная причина заключается в том, что элементы уплотнения изначально имеют незначительную упругость, а в процессе длительной работы дизеля возникает релаксация этих элементов, то есть возникает остаточная деформация. Задачей разработки полезной модели является повышение надежности уплотнения головки блока цилиндров, за счет повышения его упругости. Задача решается следующим образом. Известная конструкция уплотнения головки блока цилиндров, преимущественно со съемной гильзой цилиндра, снабженной буртом, содержит уплотнительное кольцо, установленное между торцовой поверхностью гильзы и головкой блока цилиндров, а также уплотнительную металлическую прокладку, установленную концентрично уплотнительному кольцу. Согласно предлагаемой полезной модели, в головке блока цилиндров выполнена кольцевая канавка, снабженная в нижней своей части фаской, в которую вставлено уплотнительное кольцо, имеющее цилиндрическую форму в верхней своей части, и наклонную к цилиндру нижнюю часть, причем нижний торец уплотнительного кольца выполнен коническим, а уплотнительная металлическая прокладка имеет в сечении треугольную форму и установлена между наклонной поверхностью уплотнительного кольца и внутренней боковой поверхностью кольцевой канавки. Кроме того, отношение ширины торца конической поверхности уплотнительного кольца и торца уплотнительной прокладки составляет 1,0 к 0,5-1,0, а их торцы, контактирующие с поверхностью головки блока цилиндров, имеют покрытие из пластичного металла. На фиг. 1 показано уплотнение головки цилиндров двигателя до затяжки болтов крепления. На фиг. 2 - уплотнение после затяжки болтов. В головке блока цилиндров 1 концентрично бурту 2 гильзы цилиндра 3 выполнена кольцевая канавка 4 с фаской 5. В канавку вставляется кольцо 6, имеющее цилиндрическую опорную часть 7 и наклонную к фаске 5 под углом 1 часть 8. Нижний торец кольца 6 имеет коническую поверхность 9, образующую с поверхностью 10 бурта 2 гильзы цилиндра 3 острый угол , который выбирается при затяжке болтов крепления головки цилиндров. Уплотнительная металлическая прокладка 11 имеет треугольную форму в радиальном сечении и вставляется между нижней наклонной частью 8 кольца 6 и поверхностью 12 канавки 4. Причем, угол конусности кольца в сечении 2 больше угла 1, (см. фиг. 2) и больше угла трения. Таким образом, уплотнительная прокладка 11 не заклинивается, а под действием сил упругости постоянно прижимается к поверхности 10 бурта 2. Так, при затяжке болтов крепления головки блока цилиндров 1 внутреннее кольцо 6 упирается торцом 9 в поверхность 10 бурта 2 гильзы цилиндра 3, а прокладка 11, перемещаясь внутрь канавки 4, изгибает нижнюю наклонную часть 8 кольца 6 и прижимает ее к фаске 5 канавки 4. При этом обеспечивается уплотнение. Уплотнение работает следующим образом. При затяжке болтов крепления головки цилиндров 1 прокладка 11, перемещаясь относительно наклонной части 8 уплотнительно 4 37922007.08.30 го кольца 6, за счет того, что угол 2 больше угла 1, прижимает эту часть кольца 6 к фаске 5 канавки 4, расклинивает его и создает упругое клиновое уплотнение, при котором торцы 9 и 13 упираются в бурт 2 гильзы цилиндров 3 и создают уплотнения. При этом уголстановится равным нулю, что обеспечивает контакт по всей поверхности торца 9. Благодаря соответствующему углу конуса сечения 2 наружного уплотнительного кольца 11, который больше угла трения, возникает выталкивающая сила, которая постоянно прижимает уплотнительное кольцо к бурту гильзы вне зависимости от воздействия газовой силы. При пульсации давления газов внутреннее уплотнительное кольцо 6 в силу упругой деформации следует за микроперемещением головки цилиндров 1 и сохраняет уплотняющую функцию. Для повышения уплотняющей способности торец 9 уплотнительного кольца 6 и торец 13 уплотнительной прокладки 11 могут иметь покрытие из пластичного материала. Боковая стенка 12 канавки 4 может иметь наклон в сторону расширения канавки. При этом ширина опорных поверхностей внутреннего 6 и наружного 11 колец может соотноситься как 1,0 к 0,51,0. Таким образом, уплотнительное кольцо и уплотнительная прокладка жестко фиксируются относительно блока цилиндров, головки блока цилиндров и не имеют 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. Согласно предлагаемой конструкции,уплотнительное кольцо и уплотнительная прокладка имеют значительно большую площадь теплоотвода в сравнении с площадью подвода тепла от рабочих газов, поэтому их физические характеристики не меняются. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5