ГОЛОВКА БЛОКА ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно, к конструкциям головок блока цилиндров с жидкостным охлаждением.
Известна головка блока цилиндров, содержащая корпус головки блока цилиндров, корпус распределительных валов, установленный на корпус головки блока цилиндров, а также крышку распределительных валов, установленную на корпусе распределительных валов (см. патент на изобретение RU 2430255, дата публикации от 27.09.2011 г., МПК F02F 1/24 (2006/01).
Монтаж компонентов головки цилиндров предусматривает раздельную установку клапанов в посадочные отверстия корпуса головки цилиндров и установку распределительных валов в опорные части корпуса распределительных валов с последующим креплением корпуса распределительных валов к корпусу головки цилиндров с помощью болтов.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства является сложность конструкции и необходимость применения дополнительных болтов для крепления корпуса распределительных валов.
Известна головка цилиндров двигателя внутреннего сгорания, содержащая, по меньшей мере, два впускных и два выпускных клапана на каждый цилиндр, камеру сгорания, свечу зажигания, топливную форсунку и рассекатель, установленный между впускными клапанами, в которой с целью снижения расхода топлива, впускные каналы выполнены сходящимися и соединены между собой полостью в виде усеченного конуса, большее основание которого обращено к входным клапанам, а в меньшем основании расположена топливная форсунка (см. патент на изобретение RU 1430574, дата публикации от 15.10.1988 г., МПК F02B 23/08, F02F 1/24).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, являются недостаточная жесткость конструкции, не позволяющая равномерно распределить давление по периметру газового стыка; недостаточная надежность и долговечность головки блока цилиндров из-за высокой температуры и низкой жаростойкости направляющих втулок клапанов и ненадежность заделки седел клапанов.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является головка блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, содержащая верхнюю плиту и днище, соединенные боковыми стенками, полость для охлаждающей жидкости на верхней плите и днище; колодцы под болты крепления головки к блоку цилиндров в количестве четырех штук равномерно расположены по всему периметру газового стыка каждого цилиндра блока; отверстия под установку двух впускных и отверстия для установки двух выпускных клапанов на каждый цилиндр, с расположением оси отверстий впускных клапанов и оси отверстий выпускных клапанов относительно продольной оси головки под углом 56° и 64°. (см. патент на полезную модель RU 112949, дата публикации от 27.01.2012 г., МПК F02F 1/36 (2006/01).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства принятого за прототип, относится то, что в данной конструкции недостатком являются малоэффективные аэродинамические характеристики впускного и выпускного каналов, увеличенное сопротивление воздуха во впускных каналах, и более теплонапряженное состояние выпускных клапанов ближе расположенных к боковой стенке со стороны выпускного коллектора, омываемых дополнительным потоком раскаленных отработавших газов от соседних выпускных клапанов каждого цилиндра, кроме этого общее количество отверстий под болты крепления головки к блоку цилиндров составляет 16 штук, что значительно увеличивает количество крепежных элементов.
Сущность полезной модели заключается в обеспечении оптимизации рабочих процессов в двигателе и ресурса головки цилиндров, включая монтируемые в корпусе и на присоединительных фланцах головки цилиндров сопрягаемых деталей: распределительные валы, гидротолкатели, крышки передняя и задняя, впускная труба и выпускной коллектор, крышки клапанов, корпуса термостата, крышки гидронатяжителя на полный период эксплуатации двигателя за счет применения впускных и выпускных каналов определенной геометрии, равномерно расположенных по периметру газового стыка каждого цилиндра крепежных отверстий под болты крепления к блоку цилиндров, использования рубашки охлаждения без застойных зон, присоединительных фланцев необходимой конфигурации с резьбовыми отверстиями для крепления навесных элементов.
Технический результат - равномерное распределение давления на прокладку газового стыка, обеспечение герметичности газового стыка на всех режимах работы двигателя, высокоэффективных аэродинамических характеристик впускных и выпускных каналов, эффективное охлаждение днища, камер сгорания, седел клапанов и направляющих втулок клапанов, стенок выпускных каналов, простота изготовления, надежность и ремонтопригодность в эксплуатации.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в головке блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, содержащей два впускных и два выпускных клапана на каждую камеру сгорания, верхнюю плиту и днище, соединенные боковыми стенками, полость для охлаждающей жидкости, выполненные в верхней плите и днище отверстия под установку двух впускных и двух выпускных клапанов, соединенных с впускными и выпускными каналами, особенностью является то, что головка блока цилиндров содержит свечные колодцы под установку свечей зажигания, причем для обеспечения оптимального расположения свечи зажигания в камере сгорания расстояние между осями свечных колодцев в продольном направлении составляет 106 мм; верхнюю плиту и днище, соединенные боковыми стенками, что позволило сформировать внутреннюю полость для охлаждающей жидкости без застойных зон, в совокупности с расположенными в днище по периметру камер сгорания отверстиями для подачи охлаждающей жидкости в головку блока и прямоугольного отверстия в передней части на боковой стенке со стороны окон выпускных каналов для отвода охлаждающей жидкости из головки блока позволило обеспечить оптимальный теплообмен между нагретыми стенками головки блока цилиндров и циркулирующей охлаждающей жидкостью, снизить термические напряжения в зоне камер сгорания, где максимальная температура, увеличить теплоотдачу от поверхности выпускных каналов и боковой стенки со стороны присоединительных фланцев под выпускной коллектор. Выполнение вышеперечисленных конструктивных признаков в иных размерных пределах и соотношениях ведет к короблению поверхности днища и прогару прокладки головки блока цилиндров, а также нарушению газового стыка между выпускным коллектором и присоединительными фланцами головки блока.
2
2
- Выполненные в верхней плите и днище отверстия для впускных и выпускных клапанов, соединенные с впускными и выпускными каналами, соотношение диаметров и длин впускных каналов, составляющее 1:2,8, площадь поперечного сечения впускных каналов в диапазоне от 800 мм до 930 мм, а также соотношение высоты и ширины выпускных отверстий, составляющее 1:1,9, позволяют уменьшить сопротивление воздушному заряду и отработавшим газам и улучшить газообмен, при выходе за указанные интервалы соотношений «диаметров и длин» впускных каналов произойдет недостаточное наполнение цилиндров топливовоздушной смесью при впуске, и соответственно, снижение мощностных показателей двигателя, а выполнение интервалов соотношений «высоты и ширины» выпускных отверстий за указанные пределы приведет к плохой очистке камеры сгорания от отработавших газов и увеличения их токсичности. Указанные геометрические параметры впускных каналов и их соотношение определены расчетным путем и подтверждены экспериментально, за счет чего обеспечивается необходимый крутящий момент и мощность, снижается расход топлива двигателя. Геометрические параметры площади поперечного сечения выпускных каналов указанного диапазона улучшают очистку цилиндров и камеры сгорания от отработавших газов, способствуя снижению токсичных отработавших газов.
Равномерно расположенные по периметру газового стыка каждого цилиндра крепежные отверстия, в количестве 10 штук под болты крепления головки к блоку цилиндров, обеспечивают необходимое усилие прижатия головки блока к прокладке блока и гарантированное уплотнение газового стыка, при этом пара крепежных отверстий под болты, расположенная между цилиндрами, является общей для крепления и герметизации газового стыка этой пары цилиндров, что позволяет минимизировать количество крепежных элементов. При выполнении большего количества крепежных отверстий под болты, а, следовательно, расположение их между цилиндрами, приведет к увеличению металлоемкости, трудоемкости сборки и себестоимости двигателя. Уменьшение количества крепежных отверстий под болты приведет к негерметичности газового стыка между головкой и блоком цилиндров и разрушению (прогару) прокладки головки блока цилиндров.
Над верхней плитой попарно выполнены 10 опорных отверстий под установку распределительных валов, причем соотношение диаметра малых опорных отверстий под установку распределительных валов к межцентровому расстоянию между свечными колодцами составляет 1:3, причем диаметр малых опорных отверстий равен 35 мм, кроме двух передних опорных отверстий, диаметр которых равен 42 мм. Выполнение указанного числа парных опорных отверстий является оптимальным для заявляемой конструкции головки цилиндров. Выполнение меньшего числа опорных отверстий приведет к циклической деформации распределительных валов под действием усилий от клапанных пружин и усталостному разрушению распределительного вала. Выполнение большего числа пар опорных отверстий приведет к увеличению и росту механических потерь на трение в опорах распределительного вала и ухудшению топливной экономичности.
Выполнение двух передних опорных отверстий диаметром 42 мм, отличным от диаметра малых опорных отверстий, предусматривается для увеличения несущей способности первой опорной шейки распределительного вала, дополнительно нагруженных от цепи привода распределительных валов. При этом сами опорные отверстия образованы посредством монтажа на привалочных плоскостях головки блока цилиндров крышек крепления распределительного вала с помощью болтов, при этом образуя сборочную опору «опорная площадка - крышка - крепежные болты». Указанная конструкция образует оптимальную сборочную единицу: подшипниковый узел (подшипник скольжения) и служит опорой распределительного вала. При исключении любого входящего в опору элемента произойдет увеличение механических потерь на трение в приводе распределительного вала, возможная деформация и вибрация распределительного вала при работе двигателя. Кроме этого окончательная (финишная) обработка малых и передних опорных отверстий для обеспечения круглости и равномерного зазора с опорными шейками распределительных валов осуществляется в сборе головки блока цилиндров с крышками распределительных валов с предварительным нанесением порядкового номера на каждую крышку. Для различных вариантов компоновки головки блока цилиндров предусматривается два варианта исполнения сборочных опор: первый вариант - в количестве шести сборочных опор, по три опоры на каждый распределительный вал и второй вариант - в количестве десяти сборочных опор, по пять опор на каждый распределительный вал. Оба варианта конструкции являются взаимозаменяемые и могут использоваться как для комплектации двигателей на сборочной конвейере, так и для поставок в запасные части. При этом вариант исполнения с тремя опорами на каждый распределительный вал, обладающий меньшими потерями на трение, конструктивно более предпочтителен для двигателей с повышенными требованиями по металлоемкости (меньшей массой) и с меньшей высотой подъема клапанов. При этом второй вариант исполнения с пятью опорами на каждый распределительный вал, обладающий более высокой жесткостью опор распределительного вала, предпочтителен для двигателей с большей высотой подъема клапана и повышенными требованиями по шуму и вибрации.
Конфигурация и площадь присоединительных фланцев, расположение и количество резьбовых отверстий для крепления впускной трубы, выпускного коллектора, корпуса термостата, передней и задней крышек головки блока цилиндров, крышки гидронатяжителя, датчика фазы обеспечивают уменьшение деформаций от монтажных усилий, газовых сил и инерционных нагрузок от навесных агрегатов.
Для обеспечения требуемой жесткости конструкции головки блока цилиндров оси отверстий впускных клапанов и оси отверстий выпускных клапанов расположены относительно поперечной оси головки блока цилиндров соответственно под углами 17°±10' и 18°±10'; диаметры отверстий, выполненных в каналах, под впускные клапаны составляют 36 мм, под выпускные - 30,5 мм; расстояние между осями под распределительные валы в поперечном направлении составляет 120 мм. Указанные геометрические параметры способствуют оптимальному расположению осей клапанов относительно осей впускных/выпускных каналов, способствуя улучшению газообмена при впуске и выпуске, а также позволяет компактно расположить распределительные валы и звездочки привода, уменьшив тем самым габариты головки блока цилиндров и металлоемкость.
В передней части головки блока цилиндров на боковой стенке выполнен фланец с отверстием под установку гидронатяжителя и двумя резьбовыми отверстиями под болты крепления крышки гидронатяжителя; при этом под отверстием для установки гидронатяжителя расположены три бобышки с резьбовыми отверстиями для крепления кронштейна навесных агрегатов.
Между впускными каналами каждого цилиндра расположены отверстия для подачи дополнительного воздуха во впускные каналы.
Для обеспечения жесткости боковых стенок головка блока цилиндров имеет четыре одинаковых поперечных конструктивных элемента, расположенных последовательно один за другим вдоль головки блока цилиндров, и состоящим из свечного колодца, опорных площадок под распределительные валы, привалочной плоскости под крышки распределительных валов, а также корпуса колодцев под гидротолкатели, попарно размещенных с внутренней стороны боковых стенок.
Для пояснения настоящей полезной модели приведены следующие иллюстрации:
На фиг. 1 представлен общий вид головки блока цилиндров со стороны выпускного коллектора;
На фиг. 2 представлен общий вид головки блока цилиндров со стороны впускной трубы;
На фиг. 3 представлен вид в поперечном разрезе А-А по фиг. 2;
На фиг. 4 представлен вид в поперечном разрезе Б-Б по фиг. 2.
На фиг. 5 представлен вид головки блока цилиндров со стороны камер сгорания.
Головка блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением состоит из верхней плиты 1 и днища 2, ограниченными боковыми стенками 3 и 4, при этом в наружной поверхности днища 2 выполнена камера сгорания 5, головка содержит внутреннюю полость 6 для прохода охлаждающей жидкости, образованную соединением отверстий 31, расположенным в днище 2 по периметру полости каждой камеры сгорания и прямоугольным отверстием 32 в передней части на боковой стенке 4 со стороны окон выпускных каналов, а также стенками выпускных каналов 14 и боковой стенкой 4 со стороны присоединительных фланцев под выпускной коллектор. На верхней плите 1 и в днище 2 выполнены попарно отверстия 7 и 8 для установки впускных клапанов и отверстия 9 и 10 для установки выпускных клапанов. Диаметр выполненных в камере сгорания 5 отверстий 8 впускных клапанов составляет 36 мм, а отверстий 10 выпускных клапанов - 30,5 мм. Оси отверстий 7 и 8 впускных клапанов и оси отверстий 9 и 10 выпускных клапанов расположены относительно поперечной оси головки соответственно под углами 17°±10' и 18°±10'. Для установки впускных и выпускных клапанов в отверстия 8 и 10, выполненных в днище 2, вмонтированы седла 11, а в отверстия верхней плиты 1 вмонтированы направляющие втулки 12, которые изготовлены из специальных износостойких и жаростойких материалов. Отверстия 8 и 10 соединены соответственно с впускными 13 и выпускными 14 каналами, выполненными во внутренней полости головки блока цилиндров, при этом окна 15 впускных каналов расположены на боковых стенках 3, а окна 16 выпускных каналов на боковых стенках 4. В головке блока цилиндров выполнены свечные колодцы 17 для установки свечей зажигания, расстояние между осями которых составляет 106 мм и крепежные отверстия 18 под болты для крепления головки к блоку цилиндров. Крепежные отверстия 18 расположены равномерно по периметру газового стыка каждого цилиндра, общее количество колодцев под болты для крепления головки блока цилиндров - 10 шт. Параллельно днищу 2 между каждым свечным колодцем 17 и боковыми стенками 3 и 4 попарно располагаются привалочные плоскости 19 с резьбовыми отверстиями, предназначенными для крепления болтами 20 крышек распределительных валов 21.
Крышки распределительных валов 21 в количестве восьми штук попарно устанавливаются с каждой стороны, по четыре на каждый распределительный вал. При этом передняя крышка 22 распределительных валов выполнена в виде единой цельной конструкции, состоящей из двух крышек и предназначенная для крепления одновременно впускного и выпускного распределительных валов. Кроме этого, над верхней плитой 1 на продолжении боковых стенок 3 и 4 с внутренней стороны по оси отверстий для клапанов 7 и 9 выполнены колодцы 23 диаметром 35 мм под установку гидротолкателей.
Впускной и выпускной распределительные валы устанавливаются продольно головке блока цилиндров в малые опорные отверстия 24 диаметром 35 мм и передние опорные отверстия 38, диаметром 42 мм под установку распределительных валов образованы посредством монтажа на привалочных плоскостях 19 головки блока цилиндров, выполненные между колодцами 23 под установку гидротолкателей, кроме этого для уменьшения удельных нагрузок на распределительные валы, действующих со стороны цепи привода газораспределительного механизма, передние опорные отверстия 38, образованные передней сдвоенной крышкой 22 и опорными площадками 25, имеют увеличенный диаметр 42 мм. Расстояние между осями малых и передних опорных отверстий 24 (38) под распределительные валы составляет 120 мм. В боковых стенках 3 и 4 располагаются продольные каналы 26 диаметром 10 мм и поперечные каналы 27 диаметром в пределах от 5 до 7 мм для подачи масла к колодцам 23 под гидротолкатели. На передний и задний торец головки цилиндров с помощью болтов крепятся передняя 28 и задняя 29 крышки головки блока цилиндров. С помощью болтов 30, устанавливаемых в крепежных отверстиях 18, головка цилиндров крепится к блоку. Через отверстия 31 в днище 2 подается охлаждающая жидкость, которая в дальнейшем отводится через отверстие 32 прямоугольной формы в боковой стенке 4 головки блока цилиндров. В задней части головки блока цилиндров на боковой стенке 4 выполнено отверстие 33 под установку датчика положения распределительных валов (не показан), формирующего сигнал для микропроцессорной системы управления двигателем. В передней части головки блока цилиндров на боковой стенке 3 выполнен фланец с отверстием 34 под установку гидронатяжителя для натяжения цепи привода газораспределительного механизма (не показан) и двумя резьбовыми отверстиями 35 под болты крепления крышки гидронатяжителя (не показана). Под отверстием 34 для установки гидронатяжителя расположены три бобышки 36 с резьбовыми отверстиями для крепления кронштейна навесных агрегатов (не показан). Между впускными каналами каждого цилиндра выполнены отверстия 37 для подачи дополнительного воздуха во впускные каналы для обеспечения работы двигателя на режимах холостого хода.
Работа головки блока цилиндров осуществляется следующим образом. Головка блока цилиндров обеспечивает формирование и герметизацию рабочего объема четырех цилиндров бензинового 16-ти клапанного двигателя внутреннего сгорания. С помощью болтов 30, устанавливаемых в крепежные отверстия 18, головка цилиндров крепится к блоку. Через окна 15 впускных каналов 13 в цилиндры поступает заряд топливовоздушной смеси, а через выпускные каналы 14 и выпускные окна 16 отводятся отработавшие газы. Управление газораспределением осуществляется путем открытия впускных и выпускных клапанов, устанавливаемых в отверстия 7 и 9, с приводом от распределительных валов, размещенных в малых и передних опорных отверстиях 24 и 38 через гидротолкатели, устанавливаемые в колодцах 23. Воспламенение рабочей смеси осуществляется свечами зажигания, установленными в колодцы 17. Управление открытием и закрытием клапанов выполняется под воздействием кулачков впускного и выпускного распределительных валов, расположенных определенным образом, а управление воспламенением рабочей смеси - свечами зажигания от микропроцессорной системы управления двигателем и сигнала, сформированного датчиком фазы, установленного в отверстии 33. Под воздействием высоких температур при сгорании рабочей смеси и отводе отработавших газов днище камеры сгорания 5 и стенки выпускных каналов 14 нагреваются. Для охлаждения нагретых стенок головки цилиндров в полость 6 через отверстия 31 в днище подается охлаждающая жидкость, которая в дальнейшем отводится через отверстие 32 прямоугольной формы в боковой стенке 4 головки блока цилиндров. Масло к опорным отверстиям 24 и 38 под распределительные валы подается через поперечные вертикальные каналы 33 из продольных каналов 26.
Преимущество заявленной полезной модели состоит в том, что по сравнению с принятыми за аналог устройствами, конструкция головки блока цилиндров с жидкостным охлаждением обеспечивает достаточно жесткий каркас для равномерного распределения давления на прокладку головки цилиндров по периметрам газовых стыков, за счет применения оптимально расположенных крепежных отверстий под болты крепления к блоку цилиндров, впускных и выпускных каналов определенной геометрии, что позволяет организовать поток охлаждающей жидкости таким образом, чтобы обеспечить эффективное охлаждение днища головки цилиндров, седел и направляющих втулок клапанов в зоне камер сгорания и выполнить присоединительные фланцы необходимой конфигурации с резьбовыми отверстиями для крепления навесных элементов и высокую технологичность головки цилиндров для получения отливки с равномерными минимальными литейными толщинами стенок.