ГОЛОВКА БЛОКА ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE CYLINDER HEAD

Область техники
Настоящее изобретение относится к головке блока цилиндров для двигателя внутреннего сгорания, имеющей впускной канал, выпускной канал, установочное отверстие, предназначенное для установки элемента, подлежащего охлаждению, и водяную рубашку, расположенную вокруг установочного отверстия.
Уровень техники
Как общеизвестно, головка блока цилиндров для двигателя внутреннего сгорания выполнена с впускным каналом, выпускным каналом и водяной рубашкой, выполненной вокруг отверстия для установки свечи зажигания между верхней плитой и нижней плитой. Головка блока цилиндров охлаждается охлаждающей водой, которая проходит через водяную рубашку.
В Патентном Документе 1 обычным образом предложен блок цилиндров, выполненный с такой конфигурацией, что часть в виде стойки, которая соединяет верхнюю плиту с нижней плитой, предусмотрена между отверстием для установки свечи зажигания и плоскостью, имеющей два соседних сквозных отверстия под болты головки. В головке блока цилиндров, раскрытой в Патентном Документе 1, части в виде стоек предусмотрены таким образом, что обеспечивается снятие напряжения вокруг каждой свечи зажигания при одновременном гарантировании эффективности охлаждения вокруг свечей зажигания.
В Патентном Документе 2 раскрыта головка блока цилиндров, в которой бобышки под болты головки соединены с впускным и выпускным каналами посредством утолщенной части, предусмотренной в нижней плите для повышения жесткости нижней плиты. В Патентном Документе 3 раскрыта головка блока цилиндров, в которой ребра, которые соединяют входные отверстия выпускных каналов друг с другом, выполнены на верхней поверхности нижней плиты для повышения жесткости нижней плиты.
Патентные документы
Патентный Документ 1: публикация выложенной заявки на патент Японии № 2009-264260;
Патентный Документ 2: публикация выложенной заявки на патент Японии № 2004-218481; и
Патентный Документ 3: публикация выложенной заявки на патент Японии № 2000-310157.
Проблемы, для решения которых направлено изобретение
Во время работы двигателя внутреннего сгорания, подобного показанному на фиг.6, на верхнюю поверхностную часть каждой камеры сгорания, в которой образовано отверстие 50 для установки свечи зажигания, действует направленное вверх усилие, создаваемое внутренним давлением в цилиндрах. Может возникать растягивающее напряжение, действующее в таком направлении, что оно вызывает «удаление» впускного канала 51 и выпускного канала 52 от отверстия 50 для установки свечи зажигания, при этом напряжения концентрируются в зоне вокруг отверстия 50 для установки свечи зажигания.
В этой связи в головке цилиндров, раскрытой в вышеуказанном Патентном Документе 1, усилены только противоположные концы головки. Соответственно, полагают, что снятие напряжений вокруг свечи зажигания недостаточно. Считается, что число столбчатых частей увеличено для обеспечения достаточной прочности. Подобная ситуация приводит к увеличению массы головки блока цилиндров.
В последние годы имело место осуществляемое за счет турбонаддува уменьшение габаритов двигателей внутреннего сгорания, в которых рабочий объем уменьшен за счет обеспечения максимальной эффективной мощности посредством наддува с использованием турбокомпрессора. В таком двигателе внутреннего сгорания вследствие расширения диапазона турбонаддува высокое внутреннее давление в цилиндрах создается в широком рабочем диапазоне, так что среда, которая окружает головку блока цилиндров, характеризуется жесткими условиями с точки зрения нагрева и прочности.
Задачей настоящего изобретения является создание головки блока цилиндров для двигателя внутреннего сгорания, которая может обеспечить ограничение деформации головки блока цилиндров, обусловленной внутренним давлением в цилиндрах, и предпочтительно уменьшение сопровождающей деформацию концентрации напряжений вокруг установочного отверстия для элемента, такого как свеча зажигания.
Средства решения задач
Для решения указанной задачи создана головка блока цилиндров для двигателя внутреннего сгорания, имеющая впускной канал, выпускной канал, установочное отверстие для установки элемента, подлежащего охлаждению, и водяную рубашку, расположенную вокруг установочного отверстия. Жесткость части вокруг водяной рубашки выше на участке между установочным отверстием и по меньшей мере одним из впускного канала и выпускного канала, чем в остальной части вокруг установочного отверстия.
В соответствии с вышеописанной конфигурацией жесткость участка между впускным каналом и установочным отверстием и/или участка между выпускным каналом и установочным отверстием повышена. На участке с повышенной жесткостью растягивающее напряжение, действующее в таком направлении, что оно вызывает распирание наружу, создается силой, действующей в направлении вверх, приложенной к верхней поверхностной части камеры сгорания и обусловленной внутренним давлением в цилиндрах. Соответственно, деформация головки блока цилиндров, обусловленная внутренним давлением в цилиндрах, ограничивается, так что предпочтительно уменьшается концентрация напряжений вокруг установочного отверстия, которая сопутствует деформации.
Для решения указанной задачи создана головка блока цилиндров для двигателя внутреннего сгорания, имеющая впускной канал, выпускной канал, установочное отверстие для установки элемента, подлежащего охлаждению, и водяную рубашку, предусмотренную вокруг установочного отверстия. В части вокруг водяной рубашки участок между установочным отверстием и по меньшей мере одним из впускного канала и выпускного канала усилен для повышения его жесткости.
В соответствии с вышеописанной конфигурацией жесткость участка между впускным каналом и установочным отверстием и/или участка между выпускным каналом и установочным отверстием повышена. На участке с повышенной жесткостью растягивающее напряжение, действующее в таком направлении, что оно вызывает распирание наружу, создается силой, действующей в направлении вверх, приложенной к верхней поверхностной части камеры сгорания и обусловленной внутренним давлением в цилиндрах. Соответственно, деформация головки блока цилиндров, обусловленная внутренним давлением в цилиндрах, ограничивается, так что предпочтительно уменьшается концентрация напряжений вокруг установочного отверстия, которая сопутствует деформации.
Вышеуказанное усиление осуществляется за счет образования верхней поверхности водяной рубашки так, чтобы она находилась ниже на участке между установочным отверстием и по меньшей мере одним из впускного канала и выпускного канала, чем в остальной части вокруг установочного отверстия, или за счет утолщения поверхности стенки вокруг водяной рубашки.
Для решения указанной задачи создана головка блока цилиндров для двигателя внутреннего сгорания, имеющая впускной канал, выпускной канал, установочное отверстие для установки элемента, подлежащего охлаждению, и водяную рубашку, расположенную вокруг установочного отверстия. Верхняя поверхность водяной рубашки образована так, что она находится ниже на участке между установочным отверстием и по меньшей мере одним из впускного канала и выпускного канала, чем в остальной части вокруг установочного отверстия.
В соответствии с вышеописанной конфигурацией жесткость участка между впускным каналом и установочным отверстием и/или участка между выпускным каналом и установочным отверстием повышена за счет образования более низко верхней поверхности водяной рубашки. На участке с повышенной жесткостью растягивающее напряжение, действующее в таком направлении, что оно вызывает распирание наружу, создается силой, действующей в направлении вверх, приложенной к верхней поверхностной части камеры сгорания и обусловленной внутренним давлением в цилиндрах. Соответственно, деформация головки блока цилиндров, обусловленная внутренним давлением в цилиндрах, ограничивается, так что концентрация напряжений вокруг установочного отверстия, которая сопутствует деформации, предпочтительно уменьшается.
Для решения указанной задачи создана головка блока цилиндров для двигателя внутреннего сгорания, имеющая впускной канал, выпускной канал, установочное отверстие для установки элемента, подлежащего охлаждению, и водяную рубашку, расположенную вокруг установочного отверстия. Поверхность стенки водяной рубашки утолщена на участке между установочным отверстием и по меньшей мере одним из впускного канала и выпускного канала.
В соответствии с вышеописанной конфигурацией жесткость участка между впускным каналом и установочным отверстием и/или участка между выпускным каналом и установочным отверстием повышена за счет утолщения поверхности стенки водяной рубашки. На участке с повышенной жесткостью растягивающее напряжение, действующее в таком направлении, что оно вызывает распирание наружу, создается силой, действующей в направлении вверх, приложенной к верхней поверхностной части камеры сгорания и обусловленной внутренним давлением в цилиндрах. Соответственно, деформация головки блока цилиндров, обусловленная внутренним давлением в цилиндрах, ограничивается, так что предпочтительно уменьшается концентрация напряжений вокруг установочного отверстия, которая сопутствует деформации.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - сечение, выполненное по линии А-А на схематическом виде в плане, показанном внизу справа на фиг.1, при этом данное сечение иллюстрирует показанную в сечении конструкцию головки блока цилиндров для двигателя внутреннего сгорания в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 - сечение, выполненное по линии В-В на схематическом виде в плане, показанном внизу справа на фиг.2, при этом данное сечение иллюстрирует конструкцию головки блока цилиндров в сечении в соответствии с первым вариантом осуществления;
фиг.3 - вид в плане сверху, иллюстрирующий показанную в плоскости конструкцию водяной рубашки, образованной в головке блока цилиндров в соответствии с первым вариантом осуществления;
фиг.4 - вид в перспективе, частично иллюстрирующий показанную в перспективе конструкцию водяной рубашки, образованной в головке блока цилиндров в соответствии с первым вариантом осуществления;
фиг.5 - сечение, иллюстрирующее показанную в сечении конструкцию головки блока цилиндров для двигателя внутреннего сгорания в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения; и
фиг.6 - сечение, иллюстрирующее то, каким образом растягивающее напряжение, соответствующее внутреннему давлению в цилиндрах, действует в обычной головке блока цилиндров для двигателя внутреннего сгорания.
Способы осуществления изобретения
Первый вариант осуществления изобретения
В дальнейшем головка блока цилиндров для двигателя внутреннего сгорания в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения будет описана со ссылкой на фиг.1-4. Головка блока цилиндров согласно этому варианту осуществления применяется для однорядного четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания.
Как показано на фиг.1, внутренняя часть головки 1 блока цилиндров выполнена с такой конфигурацией, что она имеет двухслойную конструкцию с двумя плитами, а именно нижней плитой 2 и верхней плитой 3. Водяная рубашка 4, через которую проходит охлаждающая вода, расположена между нижней плитой 2 и верхней плитой 3.
Как показано на фиг.2, отверстие 5 для установки свечи зажигания, в которое устанавливается свеча зажигания в качестве элемента, подлежащего охлаждению, и каналы, которые представляют собой впускные каналы 7 и выпускные каналы 8, выполнены в нижней части головки 1 блока цилиндров. Одно отверстие 5 для установки свечи зажигания, два впускных канала 7 и два выпускных канала 8 предусмотрены в каждом цилиндре в головке 1 блока цилиндров.
В головке 1 блока цилиндров выполнена водяная рубашка 4 с формой, показанной на фиг.3 и 4. Водяная рубашка 4 выполнена такой, что водяная рубашка 4 «обходит» части 9, соответствующие отверстиям 5 для установки свечей зажигания, части 10, соответствующие впускным каналам 7, и части 11, соответствующие выпускным каналам 8.
Как показано на фиг. 4, в головке 1 блока цилиндров верхние поверхности 12-14 участков водяной рубашки 4 между впускными каналами 7 и отверстием 5 для установки свечи зажигания и между выпускными каналами 8 и отверстием 5 для установки свечи зажигания образованы ниже, чем верхние поверхности 15-17 остальных участков водяной рубашки 4 вокруг отверстия 5 для установки свечи зажигания, на одну «ступень». Таким образом, участки между впускными каналами 7 и отверстием 5 для установки свечи зажигания и между выпускными отверстиями 8 и отверстием 5 для установки свечи зажигания будут усилены так, что жесткость участков вокруг водяной рубашки 4 будет повышена. Головка 1 блока цилиндров согласно этому варианту осуществления соответствует обычной головке блока цилиндров, показанной пунктирной линией на фиг. 2, с аналогичной водяной рубашкой, из которой удалена часть С, показанная в виде заштрихованной зоны на фиг. 2.
Далее будет описана работа головки 1 блока цилиндров с вышеописанной конфигурацией.
В двигателе внутреннего сгорания с головкой 1 блока цилиндров в соответствии с данным вариантом осуществления на нижнюю поверхность головки 1 блока цилиндров, соответствующую верхней поверхности камер сгорания, действует направленное вверх «толкающее» усилие, создаваемое внутренним давлением в цилиндрах, создаваемым при сгорании. В соответствии с данным действующим в направлении вверх усилием создается растягивающее напряжение, действующее в таком направлении, что оно вызывает  «смещение» впускных каналов 7 и выпускных каналов 8 наружу вокруг каждого отверстия 5 для установки свечи зажигания. В головке 1 блока цилиндров жесткость участков между впускными каналами 7 и отверстием 5 для установки свечи зажигания и между выпускными каналами 8 и отверстием 5 для установки свечи зажигания повышается, так что деформация головки 1 блока цилиндров при этом ограничивается. В результате уменьшается концентрация напряжений вокруг каждого отверстия 5 для установки свечи зажигания при приложении внутреннего давления в цилиндре.
Вариант осуществления, описанный выше, обеспечивает следующие преимущества.
(1) В этом варианте осуществления вокруг каждого отверстия 5 для установки свечи зажигания верхние поверхности 12-14 участков водяной рубашки 4 между впускными каналами 7 и отверстием 5 для установки свечи зажигания и между выпускными каналами 8 и отверстием 5 для установки свечи зажигания образованы ниже, чем верхние поверхности 15-17 остальных участков водяной рубашки 4 вокруг отверстия 5 для установки свечи зажигания. Тем самым участки вокруг водяной рубашки 4 между впускными каналами 7 и отверстием 5 для установки свечи зажигания и между выпускными каналами 8 и отверстием 5 для установки свечи зажигания будут усилены, так что их жесткость повышается. Соответственно, деформация головки 1 блока цилиндров, обусловленная внутренним давлением в цилиндрах, ограничивается, так что концентрация напряжений вокруг каждого отверстия 5 для установки свечи зажигания, сопутствующая деформации, предпочтительно уменьшается.
(2) В соответствии с данным вариантом осуществления водяная рубашка 4 оставлена вокруг нижней части каждого отверстия 5, предназначенного для установки свечи зажигания, вблизи соответствующей камеры сгорания при одновременном повышении жесткости. Соответственно, жесткость зоны вокруг отверстия 5 для установки свечи зажигания повышается, что позволяет уменьшить концентрацию напряжений вокруг отверстия 5 для установки свечи зажигания при одновременном сохранении эффективности охлаждения участков/частей, обращенных к камерам сгорания, которые нагреваются до высокой температуры.
(3) В этом варианте осуществления верхние поверхности 12-14 участков водяной рубашки 4 между впускными каналами 7 и отверстием 5 для установки свечи зажигания и между выпускными каналами 8 и отверстием 5 для установки свечи зажигания образованы ниже при одновременном сохранении высокого расположения верхней поверхности 17 участка водяной рубашки 4 между выпускными каналами 8. Соответственно, жесткость зоны вокруг отверстия 5 для установки свечи зажигания повышается, что позволяет уменьшить концентрацию напряжений вокруг отверстия 5 для установки свечи зажигания при одновременном сохранении эффективности охлаждения участка между выпускными каналами 8, который нагревается до высокой температуры.
Второй вариант осуществления изобретения
Далее, со ссылкой на фиг.5 будет описана головка блока цилиндров для двигателя внутреннего сгорания в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения. Головка блока цилиндров по данному варианту осуществления соответствует головке блока цилиндров согласно первому варианту осуществления, в которой изменена форма водяной рубашки, образованной вокруг отверстий 5 для установки свечей зажигания. В данном варианте осуществления те же ссылочные позиции присвоены компонентам, которые являются общими с первым вариантом осуществления, и их подробное описание будет опущено.
Как показано на фиг.5, водяная рубашка 21 образована в головке 20 блока цилиндров согласно данному варианту осуществления так, что охлаждающая вода также проходит через зоны, окружающие каждое отверстие 5 для установки свечи зажигания. Однако в данном варианте осуществления верхние поверхности участков водяной рубашки 21 между впускными каналами 7 и отверстием 5 для установки свечи зажигания и между выпускными каналами 8 и отверстием 5 для установки свечи зажигания образованы на той же высоте, что и верхние поверхности остальных участков водяной рубашки 21 вокруг отверстия 5 для установки свечи зажигания.
В головке 20 блока цилиндров по данному варианту осуществления поверхности 21а стенок водяной рубашки 21 с внутренней периферийной стороны между впускными каналами 7 и отверстием 5 для установки свечи зажигания и между выпускными каналами 8 и отверстием 5 для установки свечи зажигания утолщены для их усиления. Участки 22, показанные штриховкой на фиг.5, соответствуют утолщенным частям.
Далее будет описана работа головки 20 блока цилиндров с вышеописанной конфигурацией.
Когда в головке 20 блока цилиндров по данному варианту осуществления действует внутреннее давление, создаваемое в цилиндрах, на участки вокруг отверстий 5, предназначенных для установки свечей зажигания, находящиеся непосредственно над камерами сгорания, действует толкающая их вверх сила, вызывающая их деформирование так, что впускные каналы 7 и выпускные каналы 8 «смещаются» наружу от отверстия 5 для установки свечи зажигания. В головке 20 блока цилиндров образованы утолщенные части 22 для повышения жесткости участков между впускными каналами 7 и отверстием 5 для установки свечи зажигания и между выпускными каналами 8 и отверстием 5 для установки свечи зажигания. Соответственно, в головке 20 блока цилиндров деформация, обусловленная внутренним давлением в цилиндрах, ограничивается, и концентрация напряжений вокруг отверстий 5 для установки свечей зажигания, сопутствующая деформации, также уменьшается.
Вариант осуществления, описанный выше, имеет следующие преимущества.
(4) В соответствии с этим вариантом осуществления поверхности стенок участков водяной рубашки 21 между впускными каналами 7 и отверстием 5 для установки свечи зажигания и между выпускными каналами 8 и отверстием 5 для установки свечи зажигания утолщены. Следовательно, участки вокруг водяной рубашки 21 в ее зонах между впускными каналами 7 и отверстием 5 для установки свечи зажигания и между выпускными каналами 8 и отверстием 5 для установки свечи зажигания будут усилены, так что их жесткость повышается. Соответственно, концентрация напряжений вокруг каждого отверстия 5 для установки свечи зажигания, обусловленная внутренним давлением в цилиндре, предпочтительно уменьшается.
(5) В соответствии с данным вариантом осуществления утолщение для усиления поверхностей стенок водяной рубашки 21 осуществляется в верхних частях водяной рубашки 21. Соответственно, в зонах вблизи каждой камеры сгорания водяная рубашка 21 остается с неуменьшенными проходными сечениями проточных каналов, при этом одновременно повышается жесткость участков между впускными каналами 7 и отверстием 5 для установки свечи зажигания и между выпускными каналами 8 и отверстием 5 для установки свечи зажигания, так что сохраняется эффективность охлаждения в зонах, обращенных к камере сгорания, которые подвергаются нагреву до высокой температуры.
Вышеописанные варианты осуществления могут быть модифицированы следующим образом.
Во втором варианте осуществления участки водяной рубашки 21 с внутренней периферийной стороны между впускными каналами 7 и отверстием 5 для установки свечи зажигания и между выпускными каналами 8 и отверстием 5 для установки свечи зажигания утолщены. В альтернативном варианте могут быть утолщены участки водяной рубашки 21 с наружной периферийной стороны.
Во втором варианте осуществления верхние участки водяной рубашки 21 между впускными каналами 7 и отверстием 5 для установки свечи зажигания и между выпускными каналами 8 и отверстием 5 для установки свечи зажигания утолщены. В альтернативном варианте также могут быть утолщены нижние участки водяной рубашки 21, если необходимо обеспечить жесткость для уменьшения концентрации напряжений. Желательно, чтобы проходное сечение проточного канала нижней части водяной рубашки 21 было увеличено для обеспечения эффективности охлаждения. Соответственно, даже в том случае, когда необходимо обеспечить утолщение водяной рубашки 21 от верхней части до ее нижней части, желательно, чтобы степень утолщения нижней части была уменьшена при одновременном увеличении степени утолщения верхней части для образования водяной рубашки 21 так, чтобы она имела большую ширину в нижней части.
В вышеописанных вариантах осуществления верхние поверхности водяной рубашки образованы ниже или поверхности стенок водяной рубашки утолщены для повышения жесткости участков вокруг водяных рубашек 4 и 21 между впускными каналами 7 и отверстием 5 для установки свечи зажигания и между выпускными каналами 8 и отверстием 5 для установки свечи зажигания. Что касается усиления для повышения жесткости подобных участков, то могут быть использованы другие способы усиления, такие как, например, выполнение поперечин или ребер или образование подобных участков вокруг водяных рубашек 4 и 21 из материалов, имеющих более высокую жесткость, чем материалы других участков.
В вышеописанных вариантах осуществления усилены как участки между отверстием 5 для установки свечи зажигания и впускными каналами 7, так и участки между отверстием 5 для установки свечи зажигания и выпускными каналами 8. Усиление любых из участков может быть исключено при условии, что концентрация напряжений может быть в достаточной степени уменьшена.
В вышеописанных вариантах осуществления образованы отверстия 5 для установки свечей зажигания, в которые устанавливаются свечи зажигания. В дизельном двигателе в некоторых случаях вместо свечей зажигания на головке блока цилиндров устанавливают форсунки. Даже в подобном случае концентрация напряжений вокруг отверстия для установки форсунки уменьшается за счет усиления части вокруг водяной рубашки между отверстием для установки форсунки и по меньшей мере одним из впускных каналов и выпускных каналов. В данном случае форсунка служит в качестве элемента, подлежащего охлаждению.
В вышеописанных вариантах осуществления в каждом цилиндре выполнены два впускных канала 7 и два выпускных канала 8. Число и расположение впускных каналов 7 и выпускных каналов 8 не ограничены этим и могут быть изменены соответствующим образом.
В вышеописанных вариантах осуществления описан случай, когда настоящее изобретение применяется для однорядного четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. Настоящее изобретение может быть применено для двигателей внутреннего сгорания с другими системами расположения цилиндров.
Перечень ссылочных позиций
1 - Головка блока цилиндров; 2 - Нижняя плита; 3 - Верхняя плита; 4 - Водяная рубашка; 5 - Отверстие для установки свечи зажигания (Установочное отверстие для установки элемента, подлежащего охлаждению); 7 - Впускной канал; 8 - Выпускной канал; 9 - Часть, через которую проходит отверстие для установки свечи зажигания; 10 - Часть, через которую проходит впускной канал; 11 - Часть, через которую проходит выпускной канал; 12-14 - Верхние поверхности (участков водяной рубашки между впускным каналом и отверстием для установки свечи зажигания и между выпускным каналом и отверстием для установки свечи зажигания); 15-17 - Верхние поверхности (других участков водяной рубашки вокруг отверстия для установки свечи зажигания); 20 - Головка блока цилиндров; 21 - Водяная рубашка; 21а - Поверхность стенки водяной рубашки; 22 - Утолщенная часть; 50 - Отверстие для установки свечи зажигания; 51 - Впускной канал и 52 - Выпускной канал.