УПЛОТНЕНИЕ ВЫПУСКНОГО КОЛЛЕКТОРА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно, к устройствам для уплотнения газового стыка «головка цилиндров - выпускной коллектор» двигателя внутреннего сгорания (в дальнейшем - двигателя).
7
Известно уплотнение выпускного коллектора двигателя, содержащее фланец выпускного коллектора с отверстиями для крепления, диаметр которых больше диаметра шпилек, проходящих через эти отверстия и закрепленных во фланце головки цилиндров, прокладку из упругого материала с металлическим покрытием, содержащую отверстия под шпильки и размещенную между фланцем выпускного коллектора и фланцем головки цилиндров, шайбы в сборе и гайки. Каждое отверстие под шпильку в прокладке выполнено с металлической окантовкой. Шайба в сборе состоит из двух металлических шайб и расположенной между ними шайбой из упругого материала с низким коэффициентом трения (патент US №4214444, фиг.1, Int. Cl.: F 01 N 7/00, дата публикации - 29.07.1980 г.).
К причине, препятствующей достижению указанного ниже технического результата, относится применение металлических окантовок в отверстиях прокладки под шпильки, снижающих в целом демпфирующие свойства прокладки, предназначенной для обеспечения герметичности уплотнения выпускного коллектора.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является уплотнение выпускного коллектора двигателя, содержащее фланец выпускного коллектора с отверстиями для крепления, диаметр которых больше диаметра шпилек, проходящих через эти отверстия и закрепленных во фланце головки цилиндров, прокладку, размещенную между фланцем выпускного коллектора и фланцем головки цилиндров, гайки. Прокладка выполнена укороченной, не доходящей
7
до шпилек (патент US №6327854 В1, фиг.5, Int. Cl.: F 01 N 7/10, дата публикации - 11.12.2001 г.).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относятся применение укороченной прокладки, приводящее к консольному расположению части фланца выпускного коллектора в месте размещения шпильки, и усложнение конструктивного исполнения прокладки для обеспечения заданного положения относительно фланца выпускного коллектора и фланца головки цилиндров при сборке двигателя. При затяжке гаек консольное расположение части фланца выпускного коллектора не обеспечивает равномерной деформации прокладки по всему периметру уплотнения.
Сущность полезной модели - разработка уплотнения выпускного коллектора двигателя, обеспечивающего при нагреве компенсацию разности в удлинениях шпильки и фланца выпускного коллектора за счет увеличения толщины прокладки, изготовленной из материала с заданным коэффициентом упругости, при сохранении уровня момента затяжки и, соответственно, герметичности газового стыка «головка цилиндров - выпускной коллектор».
Технический результат - исключение прорыва отработавших газов двигателя через уплотнение выпускного коллектора в подкапотное пространство автомобиля.
y
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в уплотнении выпускного коллектора двигателя внутреннего сгорания, содержащем фланец выпускного коллектора с отверстиями для крепления, диаметр которых больше диаметра шпилек, проходящих через эти отверстия и закрепленных во фланце головки цилиндров, прокладку, размещенную между фланцем выпускного коллектора и головкой цилиндров, гайки, особенностью является то, что прокладка выполнена из материала с коэффициентом упругости 0,03≤k≤0,08, где:
y
2
1
o
k=(h-h)/h;
o
h - начальная толщина прокладки до установки на двигателе;
1
mах
h - толщина прокладки под нагрузкой, соответствующей максимально допустимому моменту М затяжки гайки по условиям прочности резьбового соединения;
2
mах
h - толщина прокладки после снятия нагрузки М,
кроме того, прокладка, фланец выпускного коллектора и фланец головки цилиндров выполнены одинаковой длины по поверхности газового стыка в месте расположения шпильки.
Выполнение уплотнения выпускного коллектора двигателя описанным выше образом с использованием всей предложенной совокупности существенных признаков позволяет обеспечить надежную работу газового стыка «головка цилиндров - выпускной коллектор» во всем диапазоне рабочих режимов двигателя.
Для пояснения настоящей полезной модели приведены следующие иллюстрации:
на фиг.1 - изображена часть уплотнения выпускного коллектора двигателя в разрезе для варианта с нагрузкой, соответствующей моменту М затяжки гайки при сборке двигателя;
на фиг.2 - изображена часть прокладки в разрезе на фиг.1 при различных вариантах нагружения.
ш
o
y
Уплотнение выпускного коллектора двигателя содержит фланец 1 высотой Н выпускного коллектора с отверстиями для крепления, диаметр d которых больше диаметра d шпилек 2, проходящих через эти отверстия и закрепленных во фланце 3 головке цилиндров, прокладку 4 с начальной толщиной h с отверстиями диаметром d под шпильки 2, размещенную между фланцем 1 выпускного коллектора и фланцем 3 головки цилиндров, гайки 5. Прокладка 4 выполнена из материала с коэффициентом упругости 0,03≤k≤0,08. Прокладка 4, фланец 1 выпускного коллектора и фланец 3 головки цилиндров выполнены одинаковой длины L по поверхности газового стыка в месте расположения шпильки 2.
Уплотнение выпускного коллектора двигателя работает следующим образом.
mах
м
2
м
1
При затяжке гайки моментом М<М за счет деформации прокладки 4 ее толщина уменьшается до h, обеспечивая герметичность газового стыка «головка цилиндров - выпускной коллектор». При этом h<h<h.
При работе двигателя отработавшие газы нагревают выпускной коллектор. Высота Н фланца 1 выпускного коллектора увеличивается на:
ф
ф
ф
ΔН=αΔtН,
ф
ф
ф.ср.
o
ф.ср.
o
где: α - коэффициент линейного расширения материала фланца 1 выпускного коллектора; Δt=t-t; t - средняя температура фланца 1 выпускного коллектора по высоте Н при работе двигателя; t - температура фланца 1 выпускного коллектора перед запуском двигателя.
ш
Выполнение фланца 1 выпускного коллектора с отверстиями, диаметр d которых больше диаметра d шпилек 2, проходящих через эти отверстия, обеспечивает более низкий уровень средней температуры шпильки 2.
Длина шпильки 2 при нагревании увеличивается на:
ш
ш
ш
м
ΔН=αΔt(Н+h),
ш
ш
ш.ср.
o
ш.cp.
м
o
где: α - коэффициент линейного расширения материала шпильки 2; αt=t-t; t - средняя температура шпильки 2 на длине Н+h при работе двигателя; t - температура шпильки 2 перед запуском двигателя.
ш
ф
м
Разница в удлинениях ΔН шпильки 2 и ΔН фланца 1 выпускного коллектора компенсируется увеличением высоты h прокладки 4 за счет ее упругих свойств.
Следовательно, условие обеспечения герметичности газового стыка можно записать в виде неравенства:
ш
ф
2
м
ΔН-ΔН<h-h.
м
С учетом вышеизложенного для линейного закона изменения толщины h прокладки 4 от момента М данное неравенство после преобразований принимает вид:
ш
ш
ф
ф
ш
ш
м
2
1
mах
(αΔt-αΔt)Н+αΔth<(h-h)(М/М).
ш
ф
м
ш
ш
ф
ф
ш
ш
м
-6
-6
На режимах номинальной мощности температура фланца 1 выпускного коллектора и гайки 5 достигает 600°С в дизельных и 800°С - в бензиновых двигателях. Для обеспечения надежной работы уплотнения выпускного коллектора изготавливают шпильки 2 и гайки 5 из жаропрочной стали с α=18·10 1/°С и выпускной коллектор из высокопрочного чугуна с α=11·10 1/°С. При h=1,5-2,5 мм достаточно просто определить высоту Н фланца 1 выпускного коллектора, при которой выполняется условие (αΔt-αΔt)Н≪αΔth.
o
м
mах
Тогда для диапазона 0,5<(h/h)(М/М)<1,0 моментов затяжки гайки 5 можно сформулировать следующее условие обеспечения герметичности газового стыка:
ш
ш
y
αΔt<0,5 k.
y
ш
ш
y
ш.max
ш.max
-6
Преимущество полезной модели состоит в том, что по сравнению с известными уплотнениями выпускного коллектора двигателя применение уплотнения из материала с коэффициентом упругости 0,03≤k≤0,08 обеспечивает выполнение условия αΔt<0,5 k, гарантирующего герметичность газового стыка «головка цилиндров - выпускной коллектор» как на не работающем двигателе, так и во всем диапазоне нагрузочных режимов при работе двигателя (αΔt=18·10·500=0,009<0,015).