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. Технический результат - исключение прорыва отработавших газов двигателя через уплотнение выпускного коллектора в подкапотное пространство автомобиля. Для этого прокладка выполнена из материала с коэффициентом упругости 0,03k_y0,08, где: k_y=(h₂ -h₁)/h_o; h _o - начальная толщина прокладки до установки на двигателе; h₁ - толщина прокладки под нагрузкой, соответствующей максимально допустимому моменту М_mах затяжки гайки по условиям прочности резьбового соединения; h ₂ - толщина прокладки после снятия нагрузки М _mах. Прокладка, фланец выпускного коллектора и фланец головки цилиндров выполнены одинаковой длины L по поверхности газового стыка в месте расположения шпильки.

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно, к устройствам для уплотнения газового стыка «головка цилиндров - выпускной коллектор» двигателя внутреннего сгорания (в дальнейшем - двигателя).

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 ⁷.: 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

до шпилек (патент US №6327854 В1, фиг.5, Int. Cl. ⁷: 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.

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 0,03k_y0,08, где:

k_y=(h ₂-h₁)/h_o;

h_o - начальная толщина прокладки до установки на двигателе;

h₁ - толщина прокладки под нагрузкой, соответствующей максимально допустимому моменту М_mах затяжки гайки по условиям прочности резьбового соединения;

h₂ - толщина прокладки после снятия нагрузки М_mах ,

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.

Уплотнение выпускного коллектора двигателя содержит фланец 1 высотой Н выпускного коллектора с отверстиями для крепления, диаметр d которых больше диаметра d_ш шпилек 2, проходящих через эти отверстия и закрепленных во фланце 3 головке цилиндров, прокладку 4 с начальной толщиной h _o 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 0,03k_y0,08. 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.

При затяжке гайки моментом М<М_mах за счет деформации прокладки 4 ее толщина уменьшается до h _м, обеспечивая герметичность газового стыка «головка цилиндров - выпускной коллектор». При этом h₂<h _м<h₁.

При работе двигателя отработавшие газы нагревают выпускной коллектор. Высота Н фланца 1 выпускного коллектора увеличивается на:

Н_ф=_фt_фН,

где: _ф - коэффициент линейного расширения материала фланца 1 выпускного коллектора; t_ф=t_ф.ср.-t _o; t_ф.ср. - средняя температура фланца 1 выпускного коллектора по высоте Н при работе двигателя; t _o - температура фланца 1 выпускного коллектора перед запуском двигателя.

Выполнение фланца 1 выпускного коллектора с отверстиями, диаметр d которых больше диаметра d _ш шпилек 2, проходящих через эти отверстия, обеспечивает более низкий уровень средней температуры шпильки 2.

Длина шпильки 2 при нагревании увеличивается на:

Н_ш=_шt_ш(Н+h_м),

где: _ш - коэффициент линейного расширения материала шпильки 2; t_ш=t_ш.ср.-t _o; t_ш.cp. - средняя температура шпильки 2 на длине Н+h_м при работе двигателя; t _o - температура шпильки 2 перед запуском двигателя.

Разница в удлинениях Н_ш шпильки 2 и Н_ф фланца 1 выпускного коллектора компенсируется увеличением высоты h_м прокладки 4 за счет ее упругих свойств.

Следовательно, условие обеспечения герметичности газового стыка можно записать в виде неравенства:

Н_ш-Н_ф<h₂-h _м.

С учетом вышеизложенного для линейного закона изменения толщины h_м прокладки 4 от момента М данное неравенство после преобразований принимает вид:

(_шt_ш-_фt_ф)Н+_шt_шh_м<(h ₂-h₁)(М/М_mах ).

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 _ш=18·10^-6 1/°С и выпускной коллектор из высокопрочного чугуна с _ф=11·10^-6 1/°С. При h_м=1,5-2,5 мм достаточно просто определить высоту Н фланца 1 выпускного коллектора, при которой выполняется условие (_шt_ш-_фt_ф)Н<_шt_шh_м.

Тогда для диапазона 0,5<(h_o/h _м)(М/М_mах)<1,0 моментов затяжки гайки 5 можно сформулировать следующее условие обеспечения герметичности газового стыка:

_шt_ш<0,5 k_y .

Преимущество полезной модели состоит в том, что по сравнению с известными уплотнениями выпускного коллектора двигателя применение уплотнения из материала с коэффициентом упругости 0,03k_y0,08 обеспечивает выполнение условия _шt_ш<0,5 k_y , гарантирующего герметичность газового стыка «головка цилиндров - выпускной коллектор» как на не работающем двигателе, так и во всем диапазоне нагрузочных режимов при работе двигателя (_ш.maxt_ш.max=18·10 ^-6·500=0,009<0,015).

1. Уплотнение выпускного коллектора двигателя внутреннего сгорания, 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, отличающееся тем, что прокладка выполнена из материала с коэффициентом упругости

0,03k_у,08,

где k_у=(h ₂-h₁)/h₀;

h₀ - начальная толщина прокладки до установки на двигателе;

h₁ - толщина прокладки под нагрузкой, соответствующей максимально допустимому моменту М_max затяжки гайки по условиям прочности резьбового соединения;

h₂ - толщина прокладки после снятия нагрузки М_max .

2. Уплотнение выпускного коллектора двигателя внутреннего сгорания по п.1, отличающееся тем, что прокладка, фланец выпускного коллектора и фланец головки цилиндров выполнены одинаковой длины по поверхности газового стыка в месте расположения шпильки.