李芝勇_对转子发动机气缸径向密封片的改进

对转子发动机气缸径向密封片的改进李芝勇 1（吉林科技职业技术学院汽车系，长春 130123）摘 要：主要通过对传统往复活塞式发动机和转子发动机气缸密封结构的分析，针对现存的问题提出对转子发动机气缸径向密封的改进。在原径向密封片的基础上，在其前段与缸体接触的密封面开出圆柱形通孔，在通孔中装入滚针，将径向密封片装入滚针后，把原来的滑动摩擦改变为滚动摩擦，从而改善径向密封片的摩擦特性，增强密封性能。关键词：转子发动机；径向密封；改进；滚动摩擦中图分类号：U 469 文献标识码： A 文章编号：The improvement of Cylinder Radial Sealing film in Rotary Engine/Li Zhiyong(Automobile Department ,Jilin Science and Technology Vocational College,Changchun,130123) Abstract：Through the analysis the cylinder seal structure of traditional reciprocating piston engine and rotary engine, Suggest improvements about radial sealing against the existing problems. Based on the original sealing film, make a cylindrical hole fore the sealing surface, put a needle in the cylindrical hole then change the original sliding friction to rolling friction, and enhance the sealing performance. Key words：Rotary Engine ； Radial Seal；Improvement ；Rolling Friction发动机的密封状况好坏是评价一款发动机性能优劣的重要指标之一。发动机气缸的密封性更是重中之重，因为其影响着发动机的燃烧状况、环保性以及燃油经济性等 1。如何改善发动机气缸的密封性能是今后发动机技术发展的重要方向。在汽油往复活塞式发动机中，发动机吸入可燃混合气，经压缩后点燃，使气体膨胀推动活塞连杆运动做功，把热能转换为机械能。气缸做为活塞导向和形成燃烧室的重要零件，对密封的要求非常高 2-4。但是气缸和活塞在工作时要承受超过 2000的高温，以及 3Mpa5Mpa 的气体压力，且活塞在气缸中高速运动，有很大的冲击，润滑难度大，因此对气缸的密封难度也非常大。以往的发动机密封，经常通过改进密封垫片材质、优化密封垫片尺寸，或直接在缸体上加涂有机硅化合物作为密封胶等方法来增强气缸的密封性能 5。早在上世纪 90 年代，就有通过激光处理发动机气缸，增加气缸表面硬度和耐磨性，从而防止发动机漏气、窜油的方法 6。以上方法一般情况下可保证发动机气缸的密封，但是新型密封材料的选用，常常要综合发动机工作状况、不同面压和不同化学成分在低面压处的密封，密封面的形状和温度、介质的情况等 7。转子发动机三角转子的特殊性和工作中的高温、高压、高振动等特性，使转子发动机中密封材料的选用更加复杂，因此从结构上改进转子发动机径向密封片，从而实现转子发动机气缸的密封具有重要意义。1 传统发动机气缸的密封原理11 往复活塞式发动机气缸的密封原理传统的发动机密封，是靠活塞环来实现的。活塞环有气环和油环之分，起到密封作用的是气环。活塞环有密封和导热两个作用，其中密封是主要作用。活塞环一般是用灰铸铁、球墨铸铁或合金铸铁制成 3，5 。目前应用最广泛的是在优质铸铁里加入少量铜、铬、钼等合金的合金铸铁制成，可以承受发动机工作时的高温、高压、润滑不良等恶劣条件，并具有较高的强度、韧性和弹性。其密封原理如图 1 所示：气环在自由状态下直径比气缸的直径略大，这样当其与活塞一起装入气缸后，其自身弹力 F1 就会与气缸之间形成第一密封面。可燃混合气在气缸1李芝勇（1989-） ，男，吉林松原人，助理工程师，吉林科技职业学院汽车系讲师，研究方向：汽车发动机与底盘。图 1 往复式发动机密封原理Fig.1 The sealing principle of reciprocating engine图 2 转子发动机密封部件Fig.2 the sealing component of rotary engine图 3 转子发动机径向密封Fig.3 the radial seal of rotary engine图 4 转子发动机径向密封改进Fig.4 the improve in radial seal of rotary engine中还会有一个向下的压力 F，把活塞环向下压在活塞上，形成第二密封面。同时气体压力还会在活塞环的相反面形成一个压力 F2，对第一密封面形成二次密封，使密封更可靠。在发动机中，往往存在着两道气环。当高压燃气压力经过第一道气环密封后，压力降低，但还是会有一部分泄露，此时第二道气环起作用，继续形成第一、第二密封面，使气缸的密封更加可靠。1.2 转子发动机气缸的密封不同于以往的往复活塞式发动机，转子发动机最大的特点是以三角活塞的旋转代替了圆柱形活塞的往复运动，从而省去了产生强烈振动的曲柄连杆机构，并提高了发动机的最高转速和机械效率 8。而转子发动机气缸三角活塞的气体密封，主要靠转子三个角的径向密封片（刮片） ，以及转子端面的密封条来实现。如图 2 所示：径向密封片和端面密封条背面均设有弹簧片，使其接触面保持一定的压力，弹簧片和径向密封片、密封条均装在转子相应的槽内。径向密封片用来密封相邻的两个工作腔，起到径向密封，防止气体泄露的作用。端面密封条用来密封转子端面，防止气体从端面泄露。2 转子发动机密封原理及改进21 转子径向密封原理如图 3 所示：在转子发动机未工作时，径向密封钢片在弹簧的作用下与缸体紧密贴合。当转子发动机工作时，转子旋转，在离心力以及高压气体在密封片背面的压力作用下，使径向密封片更紧密的压向缸体，增加径向密封的可靠性。转子发动机工作时，高压气体还会把径向密封片压向密封片槽的另一侧，从而实现了不同工作腔的密封。在转子发动机工作过程中，转子不停地运动，径向密封片与缸体表面接触、摩擦频繁，且在高温、高压、润滑困难的恶劣环境下工作，所以径向密封片的磨损情况极其严重，使用寿命较低。2.2 对转子发动机径向密封片的改进转子发动机径向密封片与缸体始终是线接触，磨损比较严重，因此使用寿命低，装载转子发动机的汽车需定期进厂维修，更换径向密封片以保证发动机正常运行。因此密封问题是制约转子发动机发展和广泛应用的关键性问题，改进转子发动机径向密封的问题至关重要。在研究以往的转子发动机径向密封片后,发现径向密封片使用寿命的问题,在于其磨擦受损后,不能保持与缸体的紧密接触,导致漏气。产生动力性下降和燃油消耗升高等后果。因而改善径向密封片的摩擦特性就可消除转子发动机的这一弊端。初步的改进设想如图 4 所示，认为可以在原径向密封片的基础上，在其前段与缸体接触的密封面开出一个圆柱形的通孔，该孔直径应小于径向密封片的厚度，且外径与气缸接触，圆心位置应低于原密封片接触面。在开出的孔中装入一根与径向密封片等长的滚针，滚针半径与孔相等。该滚针应能承受高温、高压、强腐蚀和润滑不良等工作条件。这样将原来的径向密封片滑动摩擦改变为滚动摩擦，从而提高径向密封片的使用寿命，进而提高转子发动机气缸的密封性能。2.3 滚动摩擦与滑动摩擦的比较常规意义上的滚动摩擦和滑动摩擦一个是力偶矩一个是力，由于摩擦机理的不同，不具有可比性，但可以通过另外一种形式进行比较 9-12 。当一个在水平面上的柱体受到水平力时，会有两种运动趋势，即：滚动，或滑动。设该水平力为 F，柱体重力为 G，半径为 R，滑动摩擦力为 F1,滚动摩擦力为 F2。匀速滑动时其所受的滑动摩擦力为：F1= N = G 其中 为滑动摩擦因数，N 为柱体所受压力当柱体做匀速滚动时其所受滑动阻力为：F R = N = GF2 = G其中 为滚动摩擦因数摩擦系数因发动机气缸和活塞材料的不同而不同，一般情况下发动机汽缸中滑动摩擦系数 取值范围在 0.170.03 之间，滚动摩擦系数 取值范围在 0.0010.005 之间，因而在柱体重力 G、压力 N 一定的前提下， 与 R 的比值小于 ，所以 F2F 1。即：滚动摩擦小于滑动摩擦。3 结束语传统的发动机密封措施多集中在改进密封片材料性能和优化密封件尺寸上，对于转子发动机而言，特殊的转子结构和工作模式，使径向密封片的磨损程度更高，而单从材料上加强转子发动机的密封性能更加复杂和困难。在径向密封片装入滚针后，从结构上改进转子发动机的密封件，把径向密封片原来的滑动摩擦改变为滚动摩擦。从而改善径向密封片的摩擦特性，增加其使用寿命，减小转子发动机故障率，进而减小了转子的运行阻力，提高转子发动机的功率。【参考文献】1 陈文华，苗庆贵，张美田. 汽车发动机构造与维修M.北京：人民交通出版社，2001.2 施中堂.发动机密封技术与密封材料研究(一)J.内燃机，2004,19（3）：42-44.3 施中堂.发动机密封技术与密封材料研究(二)J.内燃机，2004,19（4）：27-29.4 吴忠和，程培武.论日本汽车发动机的修理与技术使用J.森林工程，1996,12（1）：25-27.5 忻文.道康宁的汽车发动机密封解决方案J.汽车与配件，2008,18（8）：44-45.5 钱曾权.我国实用型汽油转子发动机J.汽车与配件，1996，6（6）：35-36.6 钱臻，袁俊琦. 发动机缸体激光处理技术的应用J.森林工程，1998,14（2）：40-41.7 何海波，郑燕萍，蒋元广. 并联混合动力轻型客车控制策略改进设计J.森林工程，2010,26（2