CN202417737U - 一种高强化柴油机用的新型密封碗型塞 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高强化柴油机用的新型密封碗型塞，它采用不锈钢材质、外圆密封面采用微锥度设计，端面使用圆弧形状，其截面采用减薄的均匀壁厚。碗型塞外圆面直径增加，从而增大安装的径向过盈。该新型碗型塞通过涂胶和压力过盈方式装于柴油机和燃气机的缸盖水套堵口中。该新型碗型塞的形状与尺寸经过计算机密封性能的模拟计算与校核，并通过试机可靠性试验证明该新型碗型塞显著提高了缸盖堵口的密封性，满足高强化柴油机和燃气机缸盖的热负荷与机械负荷要求，提高了整机密封性能和使用可靠度。

Description

一种高强化柴油机用的新型密封碗型塞

技术领域

 本实用新型涉及一种高强化柴油机用的新型密封碗型塞。

背景技术

柴油发动机是我国自主研发内燃式动力机械的主要构成部分，在其基础上只需很小的变形就可开发出各类燃气发动机，伴随着对柴油机和燃气机的动力性、经济性、节能与环保及可靠性的要求不断提高，机型研发过程中需要对发动机进行强化，不断提高的缸内燃气压力作为主要强化手段，使得发动机热负荷水平显著增加，特别在发动机的缸盖上体现最为明显，碗型塞安装在缸盖水堵口上，随着缸盖一起承受交变的热负荷冲击和机械负荷作用，当碗型塞密封失效后，缸盖水套内的冷却水漏出，将导致发动机严重过热而引起燃烧室相关零部件热裂、烧蚀等，若漏水进入发动机内部或润滑系统，势必造成整机大修甚至报废。

目前，我国批量生产的商用车重型柴油机在欧三排放等级以上的机型中，缸内最大压力均超过16Mpa，有些高排放等级的机型需要标定到18Mpa-20Mpa的水平，这种条件下，缸盖结构温度很高，缸盖内部冷却水需要更快的流速，以便带走更多热量，若水堵出现密封失效，将打破冷却水流动的压力分布，出现流速降低进一步恶化换热能力。特别在缸盖排气道的高温排气的冲击下，对应机型的实测温度显示：排气侧水堵的碗型塞安装局部温度超过130摄氏度，且碗型塞周围的温度分布不均匀，最大温差超过40度。

但目前的碗型塞存在以下几个缺点：1. 国内的重型柴油机的碗型塞主要使用铜质材料，考虑到铜的导热性能好，在缸盖水堵口安装的铜质碗型塞可较好的跟随缸盖的温度变化，同时将热量导出。但是，当缸内热负荷不断增加，铜质材料弹塑性曲线的屈服区较低，在局部高温和机械载荷的合成作用下，铜质碗型塞的容易出现局部塑性变形，特别在对应机型的冷热冲击试验中发现，不断冷热交替的热负荷冲击，使铜质碗型塞更易累积塑性变形，约500小时后发现其外圆密封面退出约1-2mm，同时，由于燃气机的热负荷比柴油机高，这种累积的塑性变形效应在燃气机相同试验条件下会更早的体现出来。2. 碗型塞与缸盖水堵口的安装采用过盈方式，过盈量的大小对密封性有显著影响，由于铜质材料杨氏模量低，过大的过盈量容易导致局部屈服形成安装折痕与凹点，引起密封失效。3. 碗型塞的密封位置主要在外圆面，铜质碗型塞外圆面均采用正圆柱面形式，端面采用平面形式，过渡圆角较小且壁厚较大。为了详细了解具体尺寸对密封性的影响，建立了碗塞与缸盖的有限元密封模拟模型，通过计算机模拟分析发现，过盈安装后该形式的碗型塞密封面在外圆面靠近端面侧的2-3mm窄带上，该窄带与缸盖水堵面的接触压力高于200Mpa，外圆面的其他部分接触压力均低于50Mpa，且在过渡圆角处有明显的结构应力集中现象。可见正圆柱面的尺寸不利于建立稳定和较宽的密封面。端面采用平面形式易导致过渡圆角处产生较高的应力集中，若过渡圆角较小将进一步增加应力集中的程度。壁厚增加可以提高结构的刚度和强度，但成本会随之增加。

因此碗型塞的材质、外圆面、端面、过渡圆角及壁厚的设计会显著影响其密封性能和部件疲劳耐久性。

发明内容

 为解决以上技术上的不足，本实用新型提供了一种结构可靠性高、密封性能好，成本低的高强化柴油机用的新型密封碗型塞。

本实用新型是通过以下措施实现的：

本实用新型的一种高强化柴油机用的新型密封碗型塞，包括塞体，所述塞体

顶部为圆形端面，所述端面边缘向下延伸有环形侧壁，塞体底部为圆形塞口，所述塞体为不锈钢材质，塞体的侧壁横截面为上窄下宽的锥形。

上述塞体的端面的横截面为向上隆起的圆弧形，端面与侧壁圆滑过渡。

上述塞体的塞口与安装口的径向过盈量为0.15-0.25mm。

本实用新型的有益效果是：

采用不锈钢材料，并优化了碗型塞的形状和尺寸参数，从而改变密封环带的接触面积、压力、并降低圆角应力集中，通过发动机全速全负荷试验、冷热冲击试验对新型碗型塞进行密封性试验，本实用型结构可靠性高，成本低，工作耐久性强，密封效果好，满足发动机工作条件要求，未出现密封失效的现象。

附图说明   

附图1为本实用新型的剖面结构示意图。

附图2为本实用新型的立体部分剖面结构示意图。

图中：1端面，2侧壁，3塞口。

具体实施方式

如图1、2所示，本实用新型的一种高强化柴油机用的新型密封碗型塞，包

括塞体，塞体顶部为圆形端面1，端面1边缘向下延伸有环形侧壁2，塞体底部为圆形塞口3，塞体采用不锈钢材质。不锈钢材质的碗型塞工作条件下耐腐蚀、刚度高、抗塑性变形能力强，可使用较大的过盈量来增加密封效果。不锈钢材质碗型塞中心处的温度降低约15摄氏度，同时，不锈钢结构的疲劳强度增加，且成本较低。

   塞体的侧壁2横截面为上窄下宽的锥形。保证了密封环面的接触压力与宽度，新型碗型塞与缸盖堵口孔的接触宽度相比原结构增加1-1.5倍，工作条件下，密封环面位于碗型塞后端，接触压力分布均匀过渡，可有效适应缸盖堵口的变形。  

  塞体的端面1的横截面为向上隆起的圆弧形，端面1与侧壁2圆滑过渡。有效降低了过渡圆角处的应力集中程度，热机耦合工作条件下，新型碗型塞过渡圆角处的最大主应力相比原结构降低约90Mpa，同时，圆弧面在冷却水侧的压力呈圆弧面的均匀分布。

    塞体的塞口3与安装口的径向过盈量为0.15-0.25mm。与缸盖堵口的过盈量增加约210%，安装条件下的密封面的平均压力提高150%，且分布宽度增加1-1.5倍。

新型碗型塞在发动机可靠性试验中的验证：

在重型直列6缸增压中冷柴油机的冷热冲击试验中，分别安装原铜质碗型塞和新型不锈钢碗型塞，500小时后试验后进行缸盖水路密封性试验，原铜质碗型塞出现漏水和密封失效，新型不锈钢碗型塞未出现漏水现象且密封性良好。与此同时，在热负荷更高的同型号燃气发动机的全速全负荷试验中，分别安装原铜质碗型塞和新型不锈钢碗型塞，500小时后试验后的缸盖水路密封性试验表明，原铜质碗型塞出现漏水和密封失效，碗型塞相对堵口出现1-2mm的退出量，而新型不锈钢碗型塞未出现退出、密封性能保持良好。

上述实施例所述是用以具体说明本专利，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本专利的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本专利的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。

Claims (3)

1.一种高强化柴油机用的新型密封碗型塞，包括塞体，所述塞体顶部为圆形端面，所述端面边缘向下延伸有环形侧壁，塞体底部为圆形塞口，其特征在于：所述塞体为不锈钢材质，塞体的侧壁横截面为上窄下宽的锥形。

2.根据权利要求1所述高强化柴油机用的新型密封碗型塞，其特征在于：所述塞体的端面的横截面为向上隆起的圆弧形，端面与侧壁圆滑过渡。

3.根据权利要求1所述高强化柴油机用的新型密封碗型塞，其特征在于：所述塞体的塞口与安装口的径向过盈量为0.15-0.25mm。

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