Проектиране и изследване на приложението на метални C-образни статични уплътнения за дизелови двигатели при екстремни условия от 700°C / 100 MPa

При изследванията, разработването и проектирането на съвременни високопроизводителни дизелови двигатели, гарнитурата на цилиндровата глава (уплътнителната структура) е подложена на най-тежките свързани термомеханични натоварвания в целия двигател. Поради разликите във физическите свойства между чугунения блок на двигателя и цилиндровата глава от алуминиева сплав, при високи температури, високи налягания и динамични циклични въздействия възникват изключително трудни измествания и деформации.

За справяне с екстремните експлоатационни условияПикова температура 700–800°C, циклично импулсно налягане 100 MPaикомбинация от различни метали от чугун / алуминиева сплав, наСтатично уплътнение с метален C-образен пръстен, с уникалната си структурна еластичност и пружинна способност, служи като идеално решение за предотвратяване на изтичане на налягането при горене в цилиндъра.

1. Оперативни предизвикателства и анализ на механизмите

Преди да се анализира приложението на металните C-образни пръстени, трябва да се дефинират три основни предизвикателства, породени от тези експлоатационни условия:

1. Несъответствие между термично напрежение и термично разширение (термично опъване / срязваща деформация):

   Коефициентът на линейно термично разширение начугунен цилиндров блоке приблизително $10 \sim 12 \times 10^{-6} /\text{K}$, докато това нацилиндрова глава от алуминиева сплавдостига $22 \sim 24 \times 10^{-6} /\text{K}$. При пикови температури от 700–800°C, разширението на алуминиевата цилиндрова глава е значително по-високо от това на чугунения блок, което води до сериозниотносително термично изместване и сили на срязванена уплътняващата повърхност. Освен това, тъй като границите на опън и границата на провлачване на алуминиевите сплави спадат рязко над 200–250°C, не може да се прилага прекомерна локализирана сила на затягане, тъй като това лесно би причинило пластично вдлъбване върху повърхността на канала на алуминиевата глава.

2. 100 MPa Променливо ударно налягане (динамично разделяне на уплътнителната фуга):

   Горивното налягане на дизеловия двигател проявява високочестотни импулсни характеристики с големи колебания. Пиково циклично налягане от 100 MPa причинява леко еластично удължение на болтовете на главата на цилиндъра, което води до...разделяне на променливи пролуки в микрометров мащабмежду главата на цилиндъра и блока на двигателя. Традиционните твърди уплътнения или конвенционалните метални гарнитури нямат способност за самозареждане и скорост на възстановяване, което ги прави изключително уязвими към микротечове или ерозия при такива динамични колебания на хлабината.

3. Ерозия от високотемпературни горивни газове на дизел:

   Отработените газове от горенето съдържат сложни оксиди, неизгорели въглеродни частици и сулфиди. При екстремни температури от 800°C те проявяват силно термично окисление и корозивност; следователно материалът на уплътняващата основа трябва да притежава изключителна устойчивост на окисление при висока температура и устойчивост на пълзене.

2. Принцип на работа и механизъм за самозареждане на метални C-образни пръстени

Металният C-образен пръстен е извита метална тръба или оформен пръстен с отворено напречно сечение, където отворът е обърнат към страната с високо налягане (т.е. вътре в горивната камера).

Страна с високо налягане (горивна камера 100 MPa) ────► │ ╭────┐ │ │ │ ◄── Цилиндър с метална C-образна стена │ │ ◄─── Вход за високо налягане (отваряне навътре) Глава │ │ │ (Алуминий) │ ╰────┘ ────► Страна с ниско налягане (атмосфера / водна риза)

1. Първоначално предварително затягане на уплътнението:По време на монтажа, предварителното затягане, приложено чрез болтовете на цилиндровата глава, кара C-образния пръстен да претърпи еластична деформация на сплескване. Външните дъгови повърхности на C-образния пръстен прилепват плътно към горната и долната уплътнителна повърхност на канала, образувайки първоначалното уплътнително контактно налягане.

2. Ефект на запечатване с помощта на налягане:Тъй като налягането на горене на дизеловия двигател от 100 MPa се покачва във вътрешността на C-пръстена, средата с високо налягане действа върху вътрешната стена на C-пръстена, генерирайки сила на разширение навън.Колкото по-високо е системното налягане, толкова по-голяма е силата на разширяване навън на C-образния пръстен., като по този начин автоматично компенсира миниатюрното разстояние между разтягането на болта, причинено от ударната сила на горене от 100 MPa.

3. Висока компенсация на пружинния обратен ход:В сравнение с плътните метални уплътнения, C-пръстените притежават значителни скорости на възстановяване след пружиниране. Дори когато възникнат динамични колебания в микрометров мащаб между блока на двигателя и главата на цилиндъра поради термично разширение/свиване и вълни от налягане, C-пръстенът поддържа постоянно контактно налягане, за да предотврати изтичане на отработени газове.

3. Избор на ключови материали и спецификации за структурен дизайн

За да се осигури дългосрочна стабилна работа при екстремни условия, материалите и процесите трябва да бъдат персонализирани:

3.1 Избор на материал за основата (устойчивост на пълзене при висока температура и запазване на еластичността)

При високи температури от 700–800°C, конвенционалните неръждаеми стомани (като 304 или 316) бързо претърпяват отпускане на напрежението и губят еластичност.

• Препоръчителни материали: Inconel 718 (сплав на никелова основа, втвърдяваща се чрез валежно утаяване) or Инконел X-750.

• Предимства:Inconel 718 поддържа изключително висока граница на провлачване, устойчивост на пълзене и отличен модул на еластичност дори при високи температури до 700–800°C, което го прави предпочитан избор за издържане на циклично напрежение при висока температура.

3.2 Проектиране на повърхностно покритие (запълване на микрограпавости и защита на алуминиевата основа)

• Проблем с несъответствието на твърдостта:Инконелните сплави са значително по-твърди от алуминиевите сплави. Директният контакт би накарал твърдия C-образен пръстен да се забие в дъното на омекналия алуминиев канал, повреждайки повърхността.

• Разтвор за покритие:Галванично покритие върху слой от мек, устойчив на висока температура метал, като напримерПосребряване(или злато/платина в ултра-тежки условия) или нанесете специализирани високотемпературни покрития върху външната повърхност на C-пръстена.

  • Функция 1:Под действието на предварително затягане, мекият сребърен слой претърпява пластично течение, за да запълни микроскопичните следи от обработката върху чугунените и алуминиевите канали, постигайки нулево течене.

  • Функция 2:Служи като буферен слой, който предпазва относително мекия алуминиев канал на цилиндровата глава от вдлъбнатина.

  • Функция 3:Предотвратява износването от трене, причинено от контакт между различни метали при високи температури.

4. Инженерна практика за монтаж и запечатване на канали

5. Обобщение и перспективи

В комбинираната структура от чугунен цилиндров блок и цилиндрова глава от алуминиева сплав, обърната към700–800°C екстремно висока температураи100 MPa високочестотно импулсно наляганена средата на горене на дизеловия газ,посребрен C-образен пръстен от метал Inconel 718представлява надеждно и технически зряло решение за статично уплътняване.

Основните му предимства се крият в:

• Перфектно поемане на редуващи се разстояния между фугите, причинени от вълни от налягане от 100 MPa, чрезмеханизъм за самозадействане, подпомаган от налягането;

• Компенсиране на неравномерното термично разширение между чугун и алуминиева сплав с помощта нависока еластичност на високотемпературни сплави на никелова основа;

• Решаване на микроскопични грапавости и защита на алуминиевата повърхност чрезмеко покритие на външната повърхност.

В процеса на проектиране трябва стриктно да се извършва термомеханичен свързан анализ (FEA) с крайни елементи, за да се изчисли точно силата на предварително затягане на болтовете, допустимите отклонения в размерите на канала и кривите на пружиниране при висока температура на C-образния пръстен, като се осигури ефективна, без течове и надеждна работа на двигателя през целия му експлоатационен живот.