Уплотнительная прокладка
Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно, к уплотнительным прокладкам, устанавливаемым между головкой и блоком цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Уплотнительная прокладка содержит, по меньшей мере, один металлический слой, в котором выполнено, по меньшей мере, одно отверстие камеры сгорания, функциональные и крепежные отверстия, причем, по меньшей мере, в одном из металлических слоев вокруг отверстия камеры сгорания сформован, по меньшей мере, один зиг с соотношением ширины к высоте в пределах от 6 до 22 и вокруг остальных отверстий или их части и/или по периметру прокладки сформованы полузиги с соотношением ширины к высоте в пределах от 2 до 15. Прокладка позволяет уплотнить стык головки цилиндров и блока цилиндров по отверстиям камер сгорания, каналов охлаждения и смазки, крепежным и другим отверстиям и равномерно перераспределить усилие прижима по длине зига или полузига, что повышает надежность уплотнения и уменьшает деформации цилиндров двигателя и плоскости головки цилиндров.
Заявляемая полезная модель относится к области двигателестроения, а именно, к уплотнительным прокладкам, устанавливаемым между головкой и блоком цилиндров двигателя внутреннего сгорания.
В настоящее время широкое распространение получили металлические прокладки, имеющие в своем составе один или несколько слоев, по крайней мере, один из которых изготовлен обычно из пружинной легированной стали. Металлические прокладки для улучшения уплотнительных свойств и сохранения их в течение сравнительно продолжительного времени имеют вокруг отверстий камер сгорания, по меньшей мере, в одном из слоев, изготовленном обычно из пружинной легированной стали, углубления или выступы, называемые «зигами» («гофрами»). Также прокладки вокруг отверстий различной формы, каналов охлаждения, смазки, штанг толкателей клапанов, цепи газораспределительного механизма, называемых функциональными, крепежных отверстий, а также по наружному контуру имеют, по меньшей мере, в одном из слоев прокладки, изготовленном обычно из пружинной легированной стали, как правило, половину углубления или выступа, называемые «полузигами», которые, как правило, полностью окружают отверстия. Иногда полузиги между соседними отверстиями или полузиги по наружному контуру прокладки и вокруг отверстия образуют зиг.
Из уровня техники известно несколько форм профилей зигов: приблизительно в виде трех дуг, сопряженных между собой и со слоем прокладки, упоминающийся например в патенте US 7374177, в виде дуги сопряженной со слоем прокладки по радиусу, упоминающийся в патенте US 5863046, в виде трапеции со скругленными углами, упоминающийся в патенте US 7000924 или в виде двух наклонных линий сопряженных со слоем прокладки и между собой по радиусу, упоминающийся в патенте РФ 2401393 и несколько форм полузигов: в виде наклонной линии сопряженной со слоем прокладки по радиусу или в виде двух дуг сопряженных между собой и со слоем прокладки. Однако форма профиля зига или полузига оказывает незначительное влияние на уплотняющую способность прокладки. При внимательном рассмотрении формы зига прокладки, снятой после эксплуатации с двигателя видно, что все указанные выше зиги имеют приблизительно одинаковую форму зига, так как зиг в процессе эксплуатации двигателя подвергается многомиллионным циклическим нагрузкам с воздействием высокого давления и температуры при сгорании топливной смеси в камере сгорания. Поэтому определяющее влияние на упругие свойства зигов и полузигов оказывает соотношение ширины к высоте зига или полузига.
Известна прокладка по патенту США 
6705619 (F02F/11/00, 16.03.2004), содержащая один или несколько слоев, в которой зиги или полузиги вокруг отверстий каналов смазки, крепления и по наружному контуру прокладки имеют меньшую высоту (на 1/3-2/3) и/или большую ширину (в 1,5-2 раза), чем зиг или полузиг вокруг отверстий каналов охлаждения. Применение зигов или полузигов вокруг каналов охлаждения с более упругими свойствами за счет увеличения высоты или уменьшения ширины зига или полузига по сравнению с другими зигами или полузигами позволяет более надежно уплотнить каналы охлаждения, но при этом не позволяет надежно уплотнить каналы смазки или может даже ухудшить их уплотнение. Также на качество уплотнения функциональных каналов сильное влияние оказывают упругие свойства зигов вокруг камер сгорания, зависящие от соотношения ширины и высоты зига, которое не описано в данном патенте.
Наиболее близким аналогом заявляемой прокладки является прокладка по патенту США 5536024 (F16J/15/08, 16.06.1996). В указанной прокладке в металлическом слое сформован зиг вокруг каждого отверстия камеры сгорания, причем в зоне между двумя соседними отверстиями ширина зига меньше, а высота зига больше чем на других участках зигов вокруг этих отверстий.
Применение указанного зига позволяет повысить удельное давление в зоне между двумя соседними отверстиями камер сгорания. Однако это может привести к деформации сопрягаемых деталей в местах между двумя соседними отверстиями камер сгорания, а также к увеличению деформации цилиндров. Также постоянная ширина и высота на остальных участках зигов вокруг отверстий камер сгорания не позволяет равномерно распределить усилие, создаваемой зигами и уменьшить деформацию цилиндров двигателя. При этом соотношения ширины и высоты зигов в данном патенте также не приводятся.
Существенные признаки наиболее близкого аналога:
- металлический слой с отверстиями камер сгорания, функциональными, крепежными отверстиями;
- зиг вокруг отверстий камер сгорания;
являются общими с существенными признаками заявляемой прокладки.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель является установление пределов соотношений между шириной и высотой зигов и полузигов в зависимости от исходных характеристик двигателей и на этой основе обеспечение возможности проектирования прокладки, которая позволяет уплотнить стык головки цилиндров и блока цилиндров по отверстиям камер сгорания, функциональным, крепежным отверстиям.
При этом необходимо обеспечить перераспределение усилий затяжки болтов или шпилек крепления, соединяющих головку и блок цилиндров двигателя в равномерное усилие прижима прокладки по длине зига или полузига, а также обеспечить уплотнение соседних отверстий камер сгорания в случае, когда ширина перемычки между отверстиями не позволяет разместить два зига для их уплотнения.
Технический результат - повышение качества и сокращение времени проектирования прокладки, обеспечивающей надежность уплотнения путем снижения возможности прорыва газов из камеры сгорания, а также уменьшение деформации цилиндров двигателя и плоскости головки цилиндров материалом металлической прокладки, а, следовательно, и увеличение надежности работы и ресурса двигателя.
Указанный технический результат решает уплотнительная прокладка, содержащая, по меньшей мере, один металлический слой, в котором выполнено, по меньшей мере, одно отверстие камеры сгорания и несколько крепежных отверстий и отверстий каналов смазки, охлаждения и прочих отверстий, причем, по меньшей мере, в одном из металлических слоев вокруг отверстия камеры сгорания сформован, по меньшей мере, один зиг, соотношение ширины к высоте которого находится в пределах от 6 до 22, причем, как показали экспериментальные исследования, верхние границы данного соотношения (10-22) относятся, как правило, к двухслойным прокладкам без ограничителей деформации зигов камеры сгорания для бензиновых двигателей имеющих низкую степень сжатия (например: четырехцилиндровый бензиновый двигатель объемом 1,6 л, диаметр цилиндра 82 мм, степень сжатия - 11), средние границы (8-17) - к двух-пятислойным прокладкам, имеющим ограничитель деформации зигов камеры сгорания для бензиновых и дизельных двигателей имеющих среднюю и высокую степень сжатия (например: четырехцилиндровый дизельный двигатель объемом 2,235 л, диаметр цилиндра 87 мм, степень сжатия - 19), нижние границы (6-16) - к однослойным прокладкам, имеющим ограничитель деформации зигов камеры сгорания для бензиновых двигателей, имеющих низкую степень сжатия (например: четырехцилиндровый бензиновый двигатель объемом 1,6 л, диаметр цилиндра 79,5, степень сжатия - 9,5). Кроме этого, на величину соотношений влияют и другие факторы - ширина цилиндров, расстояние между отверстиями камеры сгорания и остальными отверстиями блока цилиндров, величина усилия затяжки болтов крепления головки цилиндра к блоку, материал уплотнительной прокладки, количество слоев прокладки, материалы цилиндра (блока) и головки и т.д. Вокруг остальных отверстий или их части и/или по периметру прокладки сформованы полузиги, соотношение ширины и высоты которых находится в пределах от 2 до 15. На данные соотношения имеют влияние такие факторы, как расстояние между отверстиями камеры сгорания и остальными отверстиями блока цилиндров, величина усилия затяжки болтов крепления головки цилиндра к блоку, материал уплотнительной прокладки, количество слоев прокладки, материалы цилиндра (блока) и головки и т.д.
Зиг имеет профиль в виде трех дуг, сопряженных между собой и со слоем прокладки или в виде дуги, сопряженной со слоем прокладки по радиусу или в виде двух наклонных линий и третьей линии, направление которой близко к параллельному слою прокладки и сопряженные между собой и слоем прокладки по радиусу или в виде двух наклонных линий, сопряженных со слоем прокладки по радиусу и соединенных между собой дугой.
Заявитель является разработчиком и производителем металлических уплотнительных прокладок для ДВС и вначале проводит статические испытания прокладки в двигателе с использованием специальной пленки, например производства фирмы Фуджи. При испытаниях эта пленка вместе с прокладкой устанавливается на двигатель и головка цилиндров притягивается к блоку цилиндров крепежными элементами (болтами или шпильками). Усилие, передаваемое от крепежных элементов на прокладку, окрашивает пленку в красный цвет различной интенсивности в зависимости от давления которое имеется в каждой точке прокладки, в том числе и на зиге. С помощью специального прибора по интенсивности окраски определяется значение давления в каждой точке прокладки. На основе анализа имеющихся материалов и полученных экспериментальных данных, для герметизации отверстия камеры сгорания выбирает зиги с оптимальными соотношениями ширины и высоты от 10 до 22. В случае, когда невозможно разместить зиг с указанным соотношением, например, вблизи крепежных или функциональных отверстий, между двумя соседними отверстиями камер сгорания применяет зиги меньшей ширины с соотношением ширины к высоте от 6 до 15.
Для получения требуемой равномерной упругости, жесткости зига на его остальных участках вокруг отверстия камеры сгорания ширина зига может быть переменной. Это дает возможность уменьшить деформацию цилиндров двигателя и плоскости головки цилиндров.
Уплотнительная прокладка может быть выполнена таким образом, что между двумя соседними отверстиями камер сгорания, вокруг которых сформованы зиги, дальние от отверстий половины зигов отсутствуют и сопряжены друг с другом половиной зига.
Полузиг имеет профиль в виде наклонной линии сопряженной со слоем прокладки по радиусу или в виде двух дуг сопряженных между собой и со слоем прокладки.
На основе полученных экспериментальных данных для герметизации отверстий каналов подачи смазки применяются полузиги с соотношением ширины к высоте от 2 до 8, для герметизации крепежных отверстий от 5 до 15, для герметизации отверстий каналов охлаждения и других функциональных отверстий, по наружному контуру прокладки от 4 до 10.
Для получения требуемой равномерной упругости, жесткости полузига по наружному контуру прокладки, а также вокруг функциональных отверстий ширина полузига может быть переменной. Это дает возможность более надежно уплотнить каналы смазки и охлаждения.
Заявляемая прокладка иллюстрируется следующими рисунками.
На фиг.1 представлен вид прокладки сверху.
На фиг.2 представлен 1 вариант профиля зига по сечению 1-1 фиг.1 где:
1 - металлический слой;
2 - дуга радиусом r1;
3 - дуга радиусом r2;
4 - дуга радиусом r3;
На фиг.3 представлен 2 вариант профиля зига по сечению 1-1 фиг.1 где:
1 - металлический слой;
2 - дуга радиусом r;
Н - высота зига;
L - ширина зига;
R1 - радиус сопряжения;
R2 - радиус сопряжения.
На фиг.4 представлен 3 вариант профиля зига по сечению 1-1 фиг.1 где:
1 - металлический слой;
2 - наклонная линия;
3 - наклонная линия;
4 - линия;
Н - высота зига;
L - ширина зига;
R1 - радиус сопряжения;
R2 - радиус сопряжения;
R3 - радиус сопряжения;
R4 - радиус сопряжения;
На фиг.5 представлен 4 вариант профиля зига по сечению 1-1 фиг.1 где:
1 - металлический слой;
2 - наклонная линия;
3 - наклонная линия;
4 - дуга радиусом r;
Н - высота зига;
L - ширина зига;
R1 -радиус сопряжения;
R2 - радиус сопряжения.
На фиг.6 представлен профиль зига по сечению 1-1 фиг.1 после эксплуатации:
На фиг.7 представлен 1 вариант профиля полузига по сечению 2-2 фиг.1 где:
1 - металлический слой;
2 - наклонная линия;
h - высота полузига;
l - ширина полузига;
R1 -радиус сопряжения;
R2 - радиус сопряжения.
На фиг.8 представлен 2 вариант профиля полузига по сечению 2-2 фиг.1 где:
1 - дуга радиусом r1;
2 - дуга радиусом r2;
h - высота полузига;
l - ширина полузига.
Так как заявитель является разработчиком и производителем металлических уплотнительных прокладок для ДВС, то доказывать промышленную применимость заявляемых прокладок нет необходимости.
1. Уплотнительная прокладка головки цилиндров, содержащая, по меньшей мере, один металлический слой, в котором выполнено, по меньшей мере, одно отверстие камеры сгорания, функциональные и крепежные отверстия, причем, по меньшей мере, в одном из металлических слоев вокруг отверстия камеры сгорания сформован, по меньшей мере, один зиг, отличающаяся тем, что зиг вокруг отверстия камеры сгорания выполнен с соотношением ширины к высоте в пределах от 6 до 22, а вокруг функциональных и крепежных отверстий или их части и/или по периметру прокладки сформованы полузиги, выполненные с соотношением ширины к высоте в пределах от 2 до 15.
2. Уплотнительная прокладка по п.1, отличающаяся тем, что зиг или полузиг имеет переменную ширину.
3. Уплотнительная прокладка по п.1, отличающаяся тем, что между двумя соседними отверстиями камер сгорания, вокруг которых сформованы зиги, дальние от отверстий половины зигов отсутствуют и сопряжены друг с другом половиной зига.
