對轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)氣缸徑向密封片的改進(jìn)

李芝勇

(吉林科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車系，長春130123)

發(fā)動機(jī)的密封狀況好壞是評價一款發(fā)動機(jī)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。發(fā)動機(jī)氣缸的密封性更是重中之重，因?yàn)槠溆绊懼l(fā)動機(jī)的燃燒狀況、環(huán)保性以及燃油經(jīng)濟(jì)性等［1］。如何改善發(fā)動機(jī)氣缸的密封性能是今后發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要方向。

在汽油往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)中，發(fā)動機(jī)吸入可燃混合氣，經(jīng)壓縮后點(diǎn)燃，使氣體膨脹推動活塞連桿運(yùn)動做功，把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。氣缸做為活塞導(dǎo)向和形成燃燒室的重要零件，對密封的要求非常高［2－4］。但是氣缸和活塞在工作時要承受超過2 000℃的高溫，以及3～5MPa的氣體壓力，且活塞在氣缸中高速運(yùn)動，有很大的沖擊，潤滑難度大，因此對氣缸的密封難度也非常大。以往的發(fā)動機(jī)密封，經(jīng)常通過改進(jìn)密封墊片材質(zhì)、優(yōu)化密封墊片尺寸，或直接在缸體上加涂有機(jī)硅化合物作為密封膠等方法來增強(qiáng)氣缸的密封性能［5］。早在上世紀(jì)90年代，就有通過激光處理發(fā)動機(jī)氣缸，增加氣缸表面硬度和耐磨性，從而防止發(fā)動機(jī)漏氣、竄油的方法［6］。以上方法一般情況下可保證發(fā)動機(jī)氣缸的密封，但是新型密封材料的選用，常常要綜合發(fā)動機(jī)工作狀況、不同面壓和不同化學(xué)成分在低面壓處的密封，密封面的形狀和溫度、介質(zhì)的情況等［7］。轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)三角轉(zhuǎn)子的特殊性和工作中的高溫、高壓和高振動等特性，使轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)中密封材料的選用更加復(fù)雜，因此從結(jié)構(gòu)上改進(jìn)轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)徑向密封片，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)氣缸的密封具有重要意義。

1 傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)氣缸的密封原理

1.1 往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)氣缸的密封原理

傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)密封，是靠活塞環(huán)來實(shí)現(xiàn)的。活塞環(huán)有氣環(huán)和油環(huán)之分，起到密封作用的是氣環(huán)。活塞環(huán)有密封和導(dǎo)熱兩個作用，其中密封是主要作用。活塞環(huán)一般是用灰鑄鐵、球墨鑄鐵或合金鑄鐵制成［3，5］。目前應(yīng)用最廣泛的是在優(yōu)質(zhì)鑄鐵里加入少量銅、鉻、鉬等合金的合金鑄鐵制成，可以承受發(fā)動機(jī)工作時的高溫、高壓及潤滑不良等惡劣條件，并具有較高的強(qiáng)度、韌性和彈性。

其密封原理如圖1所示，氣環(huán)在自由狀態(tài)下直徑比氣缸的直徑略大，這樣當(dāng)其與活塞一起裝入氣缸后，其自身彈力F1就會與氣缸之間形成第一密封面。可燃混合氣在氣缸中還會有一個向下的壓力F，把活塞環(huán)向下壓在活塞上，形成第二密封面。同時氣體壓力還會在活塞環(huán)的相反面形成一個壓力F2，對第一密封面形成二次密封，使密封更可靠。

圖1 往復(fù)式發(fā)動機(jī)密封原理Fig.1 The sealing principle of reciprocating engine

在發(fā)動機(jī)中，往往存在著兩道氣環(huán)。當(dāng)高壓燃?xì)鈮毫?jīng)過第一道氣環(huán)密封后，壓力降低，但還是會有一部分泄露，此時第二道氣環(huán)起作用，繼續(xù)形成第一、第二密封面，使氣缸的密封更加可靠。

1.2 轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)氣缸的密封

不同于以往的往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)，轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)最大的特點(diǎn)是以三角活塞的旋轉(zhuǎn)代替了圓柱形活塞的往復(fù)運(yùn)動，從而省去了產(chǎn)生強(qiáng)烈振動的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，并提高了發(fā)動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和機(jī)械效率［8］。而轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)氣缸三角活塞的氣體密封，主要靠轉(zhuǎn)子三個角的徑向密封片 (刮片)，以及轉(zhuǎn)子端面的密封條來實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，徑向密封片和端面密封條背面均設(shè)有彈簧片，使其接觸面保持一定的壓力，彈簧片和徑向密封片、密封條均裝在轉(zhuǎn)子相應(yīng)的槽內(nèi)。徑向密封片用來密封相鄰的兩個工作腔，起到徑向密封，防止氣體泄露的作用。端面密封條用來密封轉(zhuǎn)子端面，防止氣體從端面泄露。

圖2 轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)密封部件Fig.2 Sealing component of rotary engine

2 轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)密封原理及改進(jìn)

2.1 轉(zhuǎn)子徑向密封原理

如圖3所示，在轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)未工作時，徑向密封鋼片在彈簧的作用下與缸體緊密貼合。當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)工作時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在離心力以及高壓氣體在密封片背面的壓力作用下，使徑向密封片更緊密的壓向缸體，增加徑向密封的可靠性。

圖3 轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)徑向密封Fig.3 Radial seal of rotary engine

轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)工作時，高壓氣體還會把徑向密封片壓向密封片槽的另一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)了不同工作腔的密封。

在轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)工作過程中，轉(zhuǎn)子不停地運(yùn)動，徑向密封片與缸體表面接觸、摩擦頻繁，且在高溫、高壓、潤滑困難的惡劣環(huán)境下工作，所以徑向密封片的磨損情況極其嚴(yán)重，使用壽命較低。

2.2 對轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)徑向密封片的改進(jìn)

轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)徑向密封片與缸體始終是線接觸，磨損比較嚴(yán)重，因此使用壽命低，裝載轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的汽車需定期進(jìn)廠維修，更換徑向密封片以保證發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行。因此密封問題是制約轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)發(fā)展和廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵性問題，改進(jìn)轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)徑向密封的問題至關(guān)重要。

在研究以往的轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)徑向密封片后，發(fā)現(xiàn)徑向密封片使用壽命的問題，在于其磨擦受損后，不能保持與缸體的緊密接觸，導(dǎo)致漏氣。產(chǎn)生動力性下降和燃油消耗升高等后果。因而改善徑向密封片的摩擦特性就可消除轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的這一弊端。

初步的改進(jìn)設(shè)想如圖4所示，認(rèn)為可以在原徑向密封片的基礎(chǔ)上，在其前段與缸體接觸的密封面開出一個圓柱形的通孔，該孔直徑應(yīng)小于徑向密封片的厚度，且外徑與氣缸接觸，圓心位置應(yīng)低于原密封片接觸面。在開出的孔中裝入一根與徑向密封片等長的滾針，滾針半徑與孔相等。該滾針應(yīng)能承受高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕和潤滑不良等工作條件。這樣將原來的徑向密封片滑動摩擦改變?yōu)闈L動摩擦，從而提高徑向密封片的使用壽命，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)氣缸的密封性能。

圖4 轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)徑向密封改進(jìn)Fig.4 Improvement of radial seal of rotary engine

2.3 滾動摩擦與滑動摩擦的比較

常規(guī)意義上的滾動摩擦和滑動摩擦一個是力偶矩一個是力，由于摩擦機(jī)理的不同，不具有可比性，但可以通過另外一種形式進(jìn)行比較［9－12］。當(dāng)一個在水平面上的柱體受到水平力時，會有兩種運(yùn)動趨勢，即:滾動，或滑動。設(shè)該水平力為F，柱體重力為G，半徑為R，滑動摩擦力為F1，滾動摩擦力為F2。勻速滑動時其所受的滑動摩擦力為:

式中:μ為滑動摩擦因數(shù);N為柱體所受壓力。當(dāng)柱體做勻速滾動時其所受滑動阻力為:

式中:δ為滾動摩擦因數(shù)［13－15］。

摩擦系數(shù)因發(fā)動機(jī)氣缸和活塞材料的不同而不同［16］，一般情況下發(fā)動機(jī)汽缸中滑動摩擦系數(shù)μ取值范圍在0.17～0.03之間，滾動摩擦系數(shù)δ取值范圍在0.001～0.005之間，因而在柱體重力G、壓力N一定的前提下，δ與R的比值小于μ，所以F2＜F1。即:滾動摩擦小于滑動摩擦。

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)密封措施多集中在改進(jìn)密封片材料性能和優(yōu)化密封件尺寸上，對于轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)而言，特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和工作模式，使徑向密封片的磨損程度更高，而單從材料上加強(qiáng)轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的密封性能更加復(fù)雜和困難。在徑向密封片裝入滾針后，從結(jié)構(gòu)上改進(jìn)轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的密封件，把徑向密封片原來的滑動摩擦改變?yōu)闈L動摩擦。從而改善徑向密封片的摩擦特性，增加其使用壽命，減小轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)故障率，進(jìn)而減小了轉(zhuǎn)子的運(yùn)行阻力，提高轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的功率。

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