КОРПУС ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, более конкретно, к конструкции корпусов двигателей внутреннего сгорания и может найти применение при изготовлении и ремонте корпусных изделий, содержащих неподвижные фланцевые соединения с маслостойкими уплотнительными элементами, в том числе, коробок передач и маслонаполненных агрегатов для сельскохозяйственной и мелиоративной техники.
Известен корпус двигателя внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров и головку блока с фланцами, между которыми размещена уплотнительная прокладка из комбинированных материалов (см. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Издание третье под ред. А.С.Орлина, М.Г. Круглова, М., «Машиностроение», 1980, с.212).
Корпус входит в состав автомобильного четырехтактного восьмицилиндрового двигателя ЗИЛ-130, блок цилиндров которого отлит из серого чугуна, а головка блока - из алюминиевого сплава. Расположенный между их фланцевыми частями уплотнительный элемент, выполнен в виде маслостойкой асбостальной прокладки. Однако подобные уплотнительные элементы обеспечивают герметичность соединений деталей корпусов двигателей внутреннего сгорания только при высоких контактных давлениях на фланцах, для создания которых требуется достаточная жесткость деталей, значительное количество резьбовых соединений, строгая параллельность сопрягаемых поверхностей и др. Особенно трудно обеспечить герметичность фланцевых соединений корпусов такого рода при наличии на поверхности сопрягаемых деталей деформаций и механических повреждений.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является корпус двигателя внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, головку блока, крышку клапанов и картер, снабженные фланцами с резьбовыми соединениями и, по крайней мере, одним уплотнительным элементом в виде слоя силиконового герметика между сопрягаемыми поверхностями фланцев (см. Бондарева Г.И. Герметизация неподвижных фланцевых соединений жидкими прокладками: монография. - М., ФГНУ «Росинформагротех», - 2010, с.20 - прототип).
Особенностью известного технического решения является использование в качестве уплотнительного элемента слоя Автогерметика (Автогерметик - прокладка. ТУ 2384-031-05666764-96. - НПО «Казанский завод синтетического каучука им. С.М.Кирова») или Автогермесила (Клей-герметик силиконовый автогермесил. ТУ6 - 15-1652-90. - «Данковский химический завод»). Указанными герметиками осуществляли герметизацию фланцевых соединений крышки клапанов и верхней плиты головки блока цилиндров корпуса двигателя внутреннего сгорания Владимирского тракторного завода. Герметичность соединений здесь обеспечивается за счет увеличения фактической площади контакта между фланцем и жидким уплотнительным элементом путем заполнения впадин микронеровностей сопрягаемых поверхностей.
Перед сборкой упомянутых деталей корпуса, нанесенные на поверхности фланцев слои покрытия из Автогерметика, выдерживали на воздухе в течении 6 ч, а в случае Автогермесила - 8 ч. Затем соединяли фланцы по сопрягаемым поверхностям и, используя резьбовые соединения, затягивали их до значений 10-20 Нм и более. Соединения с указанными уплотнительными элементами при 20°С выдерживают давление рабочей среды от 5 до 20-25 МПа и не текут при температуре 100°С. Увеличение момента затяжки резьбового соединения до 20-50 Нм способствует росту давления пробоя в упомянутых фланцевых соединениях корпуса двигателя внутреннего сгорания.
К недостаткам известного технического решения следует отнести сравнительно низкую эксплуатационную надежность корпуса двигателя, связанную с нарушением герметичности его фланцевых соединений из-за ухудшения физико-химических свойств слоя силиконового герметика (адгезии, стойкости к воздействию рабочих сред и др.) до критических значений в результате процессов, протекающих в указанных составах, в том числе, под влиянием вибрационных нагрузок. Другой причиной недостаточной герметичности фланцевых соединений в корпусе известного двигателя может служить неплоскостность фланцев или наличие на сопрягаемых поверхностях фланцев сравнительно больших трещин, забоин, раковин и других повреждений, образовавшихся, например, при ремонте или в процессе эксплуатации двигателя.
Решаемой задачей полезной модели является повышение эксплуатационной надежности и межремонтного ресурса корпуса двигателя внутреннего сгорания и входящих в его состав фланцевых соединений с уплотнительными элементами на основе силиконовых герметиков путем улучшения адгезионных характеристик уплотнительного элемента в условиях вибрации и увеличения его стойкости к воздействию рабочих сред (моторное и трансмиссионное масло, вода, тосол, антифриз и др.).
Указанная задача решается тем, что в корпусе двигателя внутреннего сгорания, содержащем блок цилиндров, головку блока, крышку клапанов и картер, снабженные фланцами с резьбовыми соединениями и, по крайней мере, одним уплотнительным элементом в виде слоя силиконового герметика между сопрягаемыми поверхностями фланцев, согласно полезной модели, на сопрягаемой поверхности любого из фланцев по периметру корпуса выполнена, по крайней мере, одна компенсационная канавка прямоугольного, треугольного или овального сечения глубиной 1-5 мм и шириной 0,1-0,4 от ширины фланца, а уплотнительный элемент выполнен в виде слоя силиконового герметика с добавкой порошка, содержащего углеродные нанотрубки.
Кроме того. уплотнительный элемент может быть выполнен в виде слоя силиконового герметика типа Автогерметик, Автогермесил, Локтайт 598 или Локтайт 5920 с добавкой 0,7-1,2 масс.% порошка, содержащего углеродные нанотрубки чистотой 20%, а толщина уплотнительного элемента вне пределов компенсационной канавки имеет величину 0,05-0,2 мм.
Кроме того, уплотнительный элемент может быть снабжен армирующим вкладышем, выполненным, преимущественно, в виде сетки толщиной 0,01-0,05 мм с размером ячейки 0,2-1,0 мм из металла, полимерного, углеродсодержащего или композиционного материала.
Такое выполнение полезной модели позволяет решить поставленную задачу повышения эксплуатационной надежности и межремонтного ресурса корпуса двигателя с фланцевыми соединениями, снабженными уплотнительными элементами на основе силиконовых герметиков с добавкой порошка, содержащего углеродные нанотрубки, и компенсирующими канавками на сопрягаемой поверхности любого из фланцев по периметру корпуса.
В результате исследований, проведенных авторами на стендах и опытном оборудовании МГАУ им. В.П.Горячкина были экспериментально найдены оптимальные количества добавок порошка, содержащего углеродные нанотрубки чистотой 20%, к силиконовым герметикам типа Автогерметик, Автогермесил, Локтайт 598 или Локтайт 5920. При величине таких добавок менее 0,7 масс.% указанный положительный эффект от их применения незначителен, а более 1,2 масс.% неприемлем по экономическим соображениям, поскольку стоимость указанного порошка превышает величину 100 руб/г. Исследования показали, что использование в качестве уплотнительных элементов слоев силиконовых герметиков с указанными добавками углеродных нанотрубок обеспечивает повышение важнейших эксплуатационно-технологических свойств фланцевых соединений корпусов двигателей внутреннего сгорания.
Кроме того, было определено, что указанные размеры компенсационных канавок на сопрягаемой поверхности любого из фланцев или на обоих сопрягаемых фланцах по периметру корпуса обеспечивают эффективное использование активной поверхности фланцевого соединения, увеличение пути возможного проникновения рабочей среды за пределы корпуса и повышение адгезионных свойств силиконового герметика указанного состава, способного в условиях динамических нагрузок в указанном объеме компенсационной канавки надежно герметизировать фланцевые соединения двигателей.
Было также найдено, что значение толщины уплотнительного элемента вне пределов компенсационных канавок между фланцами в рабочем состоянии должно иметь величину в пределах 0,05-0,2 мм для оптимального функционирования используемых видов силиконового герметика с добавками, а наличие армирующих вкладышей, выполненных в виде сетки с допустимыми общей толщиной 0,01-0,05 мм и размером ячейки 0,2-1,0 мм из металла, полимерного, углеродсодержащего или композиционного материала дополнительно повышает технологические характеристики таких уплотнительных элементов, позволяя, например, легко заменять их при замене или ремонте деталей корпуса двигателя.
На фиг.1 представлен чертеж общего вида предложенного корпуса двигателя внутреннего сгорания.
Корпус двигателя внутреннего сгорания содержит блок цилиндров 1, головку блока 2, крышку клапанов 3 и картер 4. Фланцы с резьбовыми соединениями, принадлежащие блоку цилиндров 1, головке блока 2 и картеру 4, обозначены позициями 5, 6, 7, 8. Между сопрягаемыми поверхностями фланцев 5, 6 и 7, 8 расположены уплотнительные элементы 9, 10 в виде слоев силиконового герметика предложенного состава. Фланцы и уплотнительный элемент между крышкой клапанов 3 и головкой блока 2 не показаны. На рабочих поверхностях фланцев 5, 7 по периметру корпуса 1 выполнено по одной компенсационной канавке прямоугольного сечения (не показаны) глубиной 2 мм и шириной 3 мм (около 0,1 от ширины фланцев). Уплотнительные элементы 9, 10 выполнены в виде слоев силиконового герметика Автогермесил с добавкой порошка, содержащего 1,0 масс.% углеродных нанотрубок чистотой 20%.
Технологический процесс герметизации указанных неподвижных фланцевых соединений корпуса двигателя внутреннего сгорания между блоком цилиндров 1, головкой блока 2 и картером 4 включает подготовительные операции: подготовку поверхностей фланцев 5, 6, 7, 8, включающих очистку от загрязнений, механическую обработка у сопрягаемых поверхностей и фрезерование на поверхностях фланцев 5, 7 по периметру корпуса 1 по одной компенсационной канавке указанного размера с повторной очисткой фланцев с использованием синтетических моющих средств, например, раствором МС-37. Затем осуществляют нанесение герметика Автогермесил на нижние фланцы 5, 7 с предварительной добавкой в герметик порошка, содержащего 1,0 масс.% углеродных нанотрубок чистотой 20%, после чего осуществляют открытую выдержку нанесенного слоя герметика на воздухе, затем выполняется сборка фланцевых соединений 5, 6 и 7, 8 и затяжка их резьбовых соединений, удаление лишнего герметика, выдержка соединений после сборки и контроль качества герметизации указанных соединений.
Наносить заранее подготовленный герметик с добавками рекомендуется выдавливанием из тубы или пневматическим шприцем на указанные поверхности фланцевых соединений. На две сопрягаемые поверхности фланцев наносить герметик не следует, так как это не увеличивает существенно герметизирующую способность уплотнительного элемента, но увеличивает трудоемкость операции. Фланцевое соединение после нанесения герметика рекомендуется выдерживать перед сборкой на воздухе, это связано с тем, что герметизирующие способности указанных уплотнительных элементов зависят от их деформационных свойств, которые изменяются с увеличением времени открытой выдержки. С увеличением выдержки общая и остаточная деформация снижаются, а высокоэластическая - возрастает. Стабилизация всех видов деформации данного герметика наступает примерно через 6 ч. Если технологический процесс сборки не позволяет выдерживать собранное фланцевое соединение на воздухе в течении указанного времени, то такую выдержку дают соединению после сборки.
Герметизирующие свойства уплотнительного элемента предложенного типа в значительной степени зависят от контактного давления, создаваемого затяжкой резьбовых соединений. Поэтому момент затяжки резьбовых соединений следует назначать с учетом контактного давления и давления рабочей среды. Давление разгерметизации фланцевых соединений также зависит от толщины уплотнительного элемента. Нагрев фланцевых соединений изделия до температуры 120°С не оказывает существенного влияния на герметизирующие способности предложенного уплотнительного элемента в составе корпуса двигателя.
В указанный силиконовый герметик вводят добавки порошка, содержащего углеродные нанотрубки чистотой 20%, которые представляют собой протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров. Такие свойства нанотрубок, как нанометровая размерность, хорошая электропроводность, высокая химическая стабильность и способность присоединять к себе различные химические радикалы, позволяют их эффективно применять при модифицировании низко- и высокополимерных материалов и в качестве модифицирующих добавок в упомянутые силиконовые герметики.
Неподвижные разъемные фланцевые соединения в составе предложенного изделия отвечают следующим требованиям: обеспечивают требуемую степень герметичности в жестких условиях эксплуатации двигателей, безотказность и долговечность фланцевых соединений корпуса, отсутствие коррозионного воздействия на прилегающие поверхности деталей, простоту монтажа и их замены, а также минимальное контактное давление при сборке фланцевых соединений. Таким образом, предложенное выполнение полезной модели обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и межремонтного ресурса корпуса двигателя внутреннего сгорания и входящих в его состав фланцевых соединений с уплотнительными элементами на основе силиконовых герметиков с добавками углеродных нанотрубок путем улучшения адгезионных характеристик уплотнительных элементов в условиях вибрации и увеличения их стойкости к воздействию рабочих сред.