Головка цилиндра двигателя внутреннего сгорания и способ ее изготовления
HEAD OF CYLINDER OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND ITS MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к головке цилиндра для закрывания камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания и способу изготовления головки цилиндра.
DE 10039790 А1 раскрывает головку цилиндра двигателя внутреннего сгорания с расположенными в ней выпускными каналами, которые содержат сформованную из, по меньшей мере, одного слоя листового металла раму внутренних каналов.
DE 1002005025731 А1 раскрывает систему отвода отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, при этом система отвода отработавших газов содержит, по меньшей мере, один проходящий в головке цилиндра двигателя внутреннего сгорания газоотводный канал и примыкающую к головке цилиндра на стороне выхода газоотводную систему. В газоотводном канале на протяжении, по меньшей мере, области выхода отработавших газов расположен изолированный воздушным зазором орган. Орган представляет собой тонкостенную, имеющую форму гильзы вставку, которая укреплена в газоотводном канале и содержит средства, посредством которых вставка радиально удалена от стенок канала. Альтернативно орган может быть образован свободно выступающей в газоотводный канал выхлопной трубой газовыпускной системы, при этом газоотводный канал расширен в области, в которую выступает выхлопная труба, с образованием ступенчатого уступа, при этом орган закрывает край уступа по периметру радиально наружу.
Хотя известные устройства и способны обеспечить теплоизолирующий эффект в отношении газоотводного канала, они, конечно, трудны в изготовлении и/или монтаже.
В основу изобретения положена задача создания альтернативной и/или улучшенной головки цилиндра для двигателя внутреннего сгорания.
Задачу решают посредством признаков независимого п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования указаны в зависимых пунктах формулы изобретения и в описании.
Изобретение создает головку цилиндра (например, одно- или многоцилиндрового двигателя внутреннего сгорания) для закрывания камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания. Головка цилиндра содержит канал для текучей среды для подвода текучей среды (например, впускного воздуха, наддувочного воздуха и/или воздушно-топливной смеси) к камере сгорания или для отвода текучей среды (например, отработавших газов или сжатого воздуха) из камеры сгорания. Головка цилиндра содержит канал охлаждения для охлаждающей рабочей среды (например, воды, смеси воды и охлаждающего средства или масла) для охлаждения головки цилиндра. Головка цилиндра содержит по меньшей мере одну выемку в материале для теплоизоляции, выполненную в главном корпусе головки цилиндра (например, путем отливки головки цилиндра). По меньшей мере одна выемка в материале расположена между каналом для текучей среды и каналом охлаждения. По меньшей мере одна выемка в материале расположена отделенной главным корпусом от канала для текучей среды (например, при помощи опорной области главного корпуса для подпирания канала для текучей среды в главном корпусе).
По меньшей мере одну выемку в материале можно без труда изготовить, например, непосредственно при формообразовании (например, литье) главного корпуса головки цилиндра и/или после формообразования. В зависимости от исполнения канала для текучей среды выемка в материале может создавать различные преимущества. Преимущества выражены соответственно в (частичной) термической развязке между каналом для текучей среды и каналом охлаждения за счет, по меньшей мере, одной теплоизоляционной выемки в материале. Например, в случае если отработавшие газы направляют через канал для текучей среды, теплопередача от горячих отработавших газов в охлаждающую текучую среду является отчетливо меньшей. Это ведет к уменьшению потребности в охлаждении, что обеспечивает возможность улучшенного исполнения системы охлаждения. За счет этого можно, например, сократить расход топлива двигателями внутреннего сгорания, например, также за счет экономии энергии при приводе в действие насоса для охлаждающей жидкости. Наряду с этим термическая развязка приводит к тому, что горячие отработавшие газы охлаждаются в канале для текучей среды не столь сильно. В результате в распоряжении оказывается большая энтальпия отработавших газов для расположенного по мере необходимости вниз по потоку турбонагнетателя, работающего на отработавших газах, и/или устройства для нейтрализации отработавших газов. Это позволяет улучшить исполнение и повысить коэффициент полезного действия этих компонентов, а также снизить расход топлива.
Используемое здесь понятие «выемка в материале» следует понимать целесообразным образом в том смысле, что речь идет об осознанно предусмотренной посредством соответствующего технологического этапа выемке в материале, но не о выемках и т.п., непреднамеренно возникших в ходе литья или прессования.
Целесообразным образом канал для текучей среды может быть создан без вставки, например, трубчатой вставки.
Например, за счет главного корпуса, по меньшей мере одна выемка в материале может располагаться радиально на расстоянии от стенки канала или наружного контура канала для текучей среды.
В варианте исполнения, по меньшей мере одна выемка в материале может быть выполнена путем формообразования, формовки и/или резания.
В следующем варианте исполнения главный корпус является литым или напечатанным (например, посредством 3D-принтера).
В следующем варианте исполнения, по меньшей мере одна выемка в материале может быть выполнена при формообразовании, предпочтительно при литье и/или печати (например, посредством 3D-принтера) главного корпуса или после этого, предпочтительно посредством изготовления резанием (например, сверления, фрезерования или др.).
В примере исполнения канал для текучей среды выполнен в виде газоотводного канала, впускного канала (например, впускного канала воздуха или впускного канала воздушно-топливной смеси) или канала для забора сжатого воздуха. Например, в случае впускного канала впускаемый воздух, температура которого должна составлять предпочтительно от 30°С до 50°С, может не столь сильно нагреваться охлаждающей текучей средой, температура которого составляет обычно свыше 90°С. Это позволяет, например, улучшить исполнение охладителей наддувочного воздуха и т.д.
Возможно, что в головке цилиндра присутствует группа каналов для текучей среды (например, два газоотводных канала и/или два впускных канала) и, по меньшей мере одна выемка в материале расположена для обеспечения теплоизоляции между, с одной стороны, несколькими каналами для текучей среды и, с другой стороны, каналом охлаждения.
В следующем примере исполнения головка цилиндра содержит клапан, предпочтительно тарельчатый клапан, который предусмотрен для уплотнения канала для текучей среды на стороне камеры сгорания.
В примере исполнения, по меньшей мере одна выемка в материале выполнена для предпочтительно существенного уменьшения передачи тепла между каналом охлаждения и каналом для текучей среды.
В следующем варианте исполнения, по меньшей мере одна выемка в материале выполнена для по меньшей мере частичной термоизоляции между каналом для текучей среды и каналом охлаждения.
В варианте исполнения, по меньшей мере одна выемка в материале заполнена воздухом, предпочтительно окружающим воздухом, и/или последний проходит через нее.
В следующем варианте исполнения, по меньшей мере одна выемка в материале образует (например, теплоизоляционный) воздушный зазор (например, с шириной зазора большей или равной 5 мм и/или меньшей или равной 15 мм) между каналом для текучей среды и каналом охлаждения.
В следующем варианте исполнения, по меньшей мере одна выемка в материале заполнена (например, частично или полностью) теплоизоляционным материалом.
В варианте исполнения наружный контур, по меньшей мере, одной выемки в материале следует, по меньшей мере, на участке, предпочтительно на по существу неизменном расстоянии, за наружным контуром канала для текучей среды и/или охлаждающего канала.
В следующем варианте исполнения, по меньшей мере одна выемка в материале окружает на участке или полностью канал для текучей среды.
В следующем варианте исполнения, по меньшей мере одна выемка в материале имеет поперечное сечение в форме кольцевого сегмента и/или выполнена в форме сегмента гильзы.
В примере исполнения, по меньшей мере одна выемка в материале следует за каналом для текучей среды вдоль, по меньшей мере, 50%, 60%, 70%, 80% или 90% длины канала для текучей среды, предпочтительно на по существу неизменном расстоянии.
В следующем примере исполнения, по меньшей мере одна выемка в материале заканчивается на границе с областью основания головки цилиндра главного корпуса.
В следующем примере исполнения, по меньшей мере одна выемка в материале впадает в наружную поверхность, например, поверхность оболочки головки цилиндра, предпочтительно для обеспечения возможности циркуляции воздуха через, по меньшей мере, отверстие в материале.
Например, по меньшей мере одна выемка в материале может простираться, например, дугообразно, через главный корпус от отверстия в поверхности оболочки главного корпуса вплоть до границы с областью основания головки цилиндра главного корпуса.
В следующем примере исполнения, по меньшей мере одна выемка в материале по существу полностью окружает канал для текучей среды, за исключением области основания головки цилиндра главного корпуса и/или необходимой для опирания канала для текучей среды опорной области главного корпуса.
В варианте исполнения, по меньшей мере одна выемка в материале, по меньшей мере, частично окружает канал для текучей среды.
В следующем варианте исполнения, по меньшей мере одна выемка в материале содержит группу областей выемки. Предпочтительно группа областей выемки соединена между собой текучей средой, предпочтительно посредством каналов в главном корпусе. Возможно, что группа областей выемки расположена симметрично вокруг канала для текучей среды. Возможно также, что группа областей выемки имеет соответственно кольцеобразное поперечное сечение и/или вместе кольцеобразно окружают канал для текучей среды. Возможно, далее, что группа областей выемки выполнена соответственно в форме сегмента гильзы и/или вместе кольцеобразно окружают канал для текучей среды.
В варианте исполнения толщина материала главного корпуса между каналом для текучей среды и, по меньшей мере, одной выемкой в материале больше или равна 5 мм и/или меньше или равна 10 мм.
В следующем варианте исполнения толщина материала, по меньшей мере, одной выемки в материале, предпочтительно в радиальном направлении канала для текучей среды больше или равна 5 мм и/или меньше или равна 15 мм.
В следующем примере исполнения канал для текучей среды содержит отверстие на наружной стороне головки цилиндра и, по меньшей мере одна выемка в материале содержит отверстие на наружной стороне головки цилиндра. Предпочтительно отверстие, по меньшей мере одной выемки в материале, по меньшей мере, частично, предпочтительно в форме кольцевого сегмента, окружает отверстие канала для текучей среды.
В усовершенствовании образован имеющий предпочтительно кольцеобразную форму участок перемычки между отверстием канала для текучей среды и отверстием, по меньшей мере одной выемки в материале. Участок перемычки содержит, по меньшей мере, крепежное устройство, предпочтительно резьбовое отверстие, для соединения линии текучей среды с каналом для текучей среды.
В варианте исполнения главный корпус содержит опорную область, которая расположена (например, относительно радиального направления канала для текучей среды) между каналом для текучей среды и, по меньшей мере одной выемкой в материале для подпирания канала для текучей среды в главном корпусе. Альтернативно или дополнительно, по меньшей мере одна выемка в материале отделена текучей средой от канала для текучей среды, например, посредством опорной области.
В следующем варианте исполнения канал охлаждения для охлаждения области основания головки цилиндра главного корпуса расположен в области основания головки цилиндра главного корпуса и/или на границе с ней.
Изобретение относится к транспортному средству, предпочтительно грузовому транспортному средству (например, грузовому автомобилю или автобусу), с головкой в соответствии с настоящим раскрытием.
В соответствии с настоящим раскрытием, устройство можно использовать также для легковых автомобилей, транспортных средств повышенной проходимости, двигателей с большим рабочим объемом, стационарных двигателей, морских двигателей и т.д.
Настоящее раскрытие относится также к способу изготовления головки цилиндра, которая выполнена предпочтительно в соответствии с настоящим раскрытием. Способ включает в себя формообразование (например, литье и/или печать) главного корпуса головки цилиндра, при этом, по меньшей мере одну выемку в материале выполняют в главном корпусе непосредственно во время формообразования и/или после формообразования главного корпуса.
Описанные выше предпочтительные формы исполнения и признаки изобретения можно любым образом комбинировать между собой. Дальнейшие подробности и преимущества изобретения описаны ниже со ссылкой на приложенные чертежи. На чертежах
Фиг. 1 показывает перспективный вид на области схематически изображенной головки цилиндра в соответствии с одним примером исполнения настоящего раскрытия;
Фиг. 2 показывает вид сбоку на область примерной головки цилиндра;
Фиг. 3 показывает в сечении вид на область примерной головки цилиндра вдоль линии А-А сечения на фиг. 2;
Фиг. 4 показывает в сечении вид на область примерной головки цилиндра вдоль линии В-В сечения на фиг. 2;
Фиг. 5 показывает в сечении вид на область примерной головки цилиндра вдоль линии С-С сечения на фиг. 4;
Фиг. 6 показывает в сечении вид на область примерной головки цилиндра вдоль линии D-D сечения на фиг. 2;
Фиг. 7 показывает в сечении вид на область примерной головки цилиндра вдоль линии Е-Е сечения на фиг. 2; и
Фиг. 8 показывает в сечении вид на область примерной головки цилиндра вдоль линии F-F сечения на фиг. 2.
Показанные на фигурах формы исполнения совпадают, по меньшей мере, частично, так что аналогичные или идентичные части снабжены одинаковыми ссылочными обозначениями и во избежание повторений для их пояснения также дается ссылка на описание других форм исполнения или фигуры.
Фигуры с 1 по 8 показывают области схематически изображенной головки 10 цилиндра. Головка 10 цилиндра может быть выполнена в виде головки цилиндра для одно- или многоцилиндрового двигателя. Головка 10 цилиндра может закрывать одну или несколько камер 12 сгорания двигателя внутреннего сгорания, в частности, поршневого двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания может входить в состав, например, транспортного средства, предпочтительно грузового транспортного средства (например, грузового автомобиля или автобуса).
Головка 10 является литой. Другими словами, головка 10 цилиндра содержит целесообразным образом металлический главный корпус 14. Главный корпус 14 может быть изготовлен посредством любого известного способа. Например, главный корпус 14 может быть отлит, например, в качестве литого тела технологии GJV (чугун с вермикулярным графитом). Возможно также, что главный корпус 14 напечатан, например, посредством 3D-принтера.
В главном корпусе 14, например, посредством процесса литья или процесса печати, выполнены различные структуры. Сюда относятся канал 16 охлаждения, канал 18 для текучей среды и предпочтительно одно или несколько свободных мест или выемок 20 в материале. Наряду с изображенной областью схематически показанной головки 10 цилиндра головка 10 содержит другие области, предпочтительно с одним или несколькими следующими каналами для текучей среды, одним или несколькими следующими каналами охлаждения и/или клапанами и т.д. Далее, в главном корпусе 14 может быть выполнено, например, крепление 28, например, для топливного инжектора.
Канал 16 охлаждения проводит охлаждающую текучую среду, например, воду, смесь воды с охлаждающим средством или масло для охлаждения головки 10 цилиндра. Канал 16 охлаждения может быть выполнен, например, в качестве части водяной оболочки головки 10 цилиндра. Изображенный канал 16 охлаждения для охлаждения стороны камеры сгорания головки 10 цилиндра расположен на границе с областью 14А основания головки цилиндра главного корпуса 14 головки 10 цилиндра.
Канал 18 для текучей среды служит для подвода текучей среды к камере 12 сгорания или для отвода текучей среды из камеры 12 сгорания. В особо предпочтительном случае канал 18 для текучей среды выполнен в виде газоотводного канала для отвода отработавших газов из камеры 12 сгорания. Конечно, было установлено, что предпочтительного эффекта со стороны выемки 20 в материале достигают также в случае, когда канал 18 для текучей среды выполнен, например, в виде впускного канала для подвода впускаемого воздуха к камере 12 сгорания или в виде канала для забора сжатого воздуха для отвода сжатого воздуха из камеры 12 сгорания.
Канал 18 для текучей среды содержит расположенное на стороне камеры сгорания отверстие 22. Канал 18 для текучей среды содержит отверстие 24 в наружной стороне, предпочтительно в поверхности оболочки головки 10 цилиндра. Канал 18 для текучей среды простирается предпочтительно по дуге между отверстием 22 и отверстием 24. На стороне камеры сгорания канал 18 для текучей среды можно уплотнить посредством клапана 26, в частности, тарельчатого клапана головки 10 цилиндра.
Выемка 20 в материале расположена между каналом 18 для текучей среды и каналом 16 охлаждения. Выемка 20 в материале обеспечивает термическую развязку между каналом 18 для текучей среды и каналом 16 охлаждения. Выемка 20 в материале существенно, то есть в значительной мере, уменьшает теплопередачу между каналом 18 для текучей среды и каналом 16 охлаждения.
В особо предпочтительном примере исполнения с каналом 18 для текучей среды, выполненным в виде газоотводного канала это позволяет резко уменьшить теплопередачу между выхлопными газами и охлаждающей текучей средой в канале 16 охлаждения. Уменьшенная теплопередача в охлаждающую текучую среду ведет к снижению потребности в охлаждении, что позволяет добиться улучшенного исполнения системы охлаждения. За счет этого можно, например, уменьшить расход топлива двигателем внутреннего сгорания, например, также за счет экономии энергии при приводе в действие насоса охлаждающей жидкости. Наряду с этим термическая развязка ведет к тому, что протекающие через канал 18 для текучей среды выхлопные газы, имеющие температуру, например, около 600°С, охлаждаются не столь сильно. В результате этого в распоряжении работающего на отработавших газах турбонагнетателя, расположенного по мере необходимости вниз по потоку, оказывается большая по величине энтальпия отработавших газов. Альтернативно или дополнительно большая энтальпия отработавших газов оказывается в распоряжении устройства нейтрализации отработавших газов, расположенного по мере необходимости вниз по потоку. Например, для эффективной работы устройства нейтрализации отработавших газов (например, при использовании катализатора SCR), может быть необходим определенный диапазон высоких температур. Это позволяет добиться улучшенного исполнения и улучшенного коэффициента полезного действия этих компонентов, а также снижения расхода топлива.
Выемку 20 в материале можно, конечно, также использовать для термической развязки канала 18 для текучей среды, выполненного в виде впускного канала. В этом случае выемка 20 в материале уменьшает передачу тепла от охлаждающей текучей среды в канале 16 охлаждения, температура которого составляет, например, свыше 90°С, к протекающему через канал 18 для текучей среды впускному воздуху, имеющего предпочтительно более низкую температуру, например, ниже 40°С или 50°С.
Выемку 20 в материале выполняют предпочтительно непосредственно при формообразовании (например, печати или литье) главного корпуса 14 в качестве выемки в материале, например, выемки в литом материале. Конечно, возможно также выполнение выемки 20 в материале лишь после формообразования главного корпуса 14 в главном корпусе 14 14, например, посредством обработки резанием. Например, в главном корпусе 14 можно выполнить группу отверстий, окружающих канал 18 для текучей среды.
Между выемкой 20 в материале и каналом 18 для текучей среды расположена опорная область 30. Опорная область 30 является частью главного корпуса 14. Опорная область 30 является литой. Опорная область 30 подпирает канал 18 для текучей среды в главном корпусе 14. Опорная область 30 отделяет текучей средой выемку 20 в материале и канал 18 для текучей среды друг от друга. Толщина материала опорной области 30 между каналом 18 для текучей среды и выемкой 20 в материале может составлять, например, от 5 мм до 10 мм. Опорная область 30 должна быть выполнена таким образом, что она является максимально жесткой для подпирания канала 18 для текучей среды и максимально гибкой для компенсации, например, растяжений материала под воздействием температур.
Выемка 20 в материале заполнена воздухом, предпочтительно окружающим воздухом. В результате этого выемка 20 в материале образует теплоизоляционный воздушный зазор между каналом 18 для текучей среды и каналом 16 охлаждения. Величина воздушного зазора может составлять, например, от 5 мм до 15 мм. Может быть также возможно, что выемка 20 в материале, по меньшей мере, частично заполнена теплоизоляционным материалом.
Выемка 20 в материале может быть открытой в направлении наружной стороны главного корпуса 14. Это обеспечивает возможность воздухообмена в выемке 20 материала и циркуляции воздуха. Конечно, также возможно, что выемка 20 в материале без отверстия в наружном направлении расположена в главном корпусе 14 в виде полого пространства.
Внешний контур или контур стенок выемки 20 в материале согласован с внешним контуром или контуром стенок канала 18 для текучей среды и следует ему, например, по меньшей мере, частично на неизменном расстоянии. Например, внешний контур выемки 20 в материале может быть выполнен, по меньшей мере, частично в виде сегмента оболочки цилиндра, по внутренней стороне которой проходит канал 18 для текучей среды. Возможно также, что внешний контур выемки 20 для материала дополнительно или альтернативно согласован с каналом 16 охлаждения и следует ему, например, по меньшей мере, частично на неизменном расстоянии.
Выемка 20 в материале следует форме канала 18 для текучей среды, исходя от наружной стороны головки 10 цилиндра вдоль существенной части длины канала 18 для текучей среды. Как изображено, выемка 20 в материале может следовать форме канала 18 для текучей среды, например, на протяжении 80%-90% длины канала 18 для текучей среды. Выемка 20 в материале по существу полностью окружает канал 18 для текучей среды, исключая область 14А основания головки цилиндра главного корпуса 14 и опорную область 30 главного корпуса 14.
В показанном примере исполнения выемка 20 в материале содержит две области 32, 34 выемки. Области 32, 34 выемки соединены между собой текучей средой, как изображено, несколькими каналами 36. Возможно также предусмотрение большего или меньшего количества областей выемки, которые могут быть соединены или соединены между собой текучей средой.
Области 32, 34 выемки расположены кольцеобразно вокруг канала 18 для текучей среды. Области 32, 34 выемки могут окружать канал 18 для текучей среды, например, симметрично. Области 32, 34 выемки имеют соответственно поперечное сечение в форме кольцевого сегмента. Поперечные сечения в форме кольцевого сегмента могут включать в себя, например, соответственно угловую область с углом приблизительно 180°С. Области 32. 34 следуют прохождению канала 18 для текучей среды в форме сегментов гильзы.
Области 32, 34 выемки заканчиваются на границе с областью 14А основания головки цилиндра главного корпуса 14. В другом случае области 32, 34 выемки впадают в наружную сторону главного корпуса 14. Области 32, 34 выемки содержат соответственно отверстие 38, 40. Отверстия 38, 40 расположены вокруг отверстия 24. Отверстия 38, 40 имеют форму кольцевого сегмента. Через отверстия 38, 40 в области 32, 34 выемки может протекать воздух, в результате чего можно обеспечить циркуляцию воздуха в областях 32, 34 выемки и, следовательно, в выемке 20 в материале.
Участок 42 перемычки опорной области 30 расположен, с одной стороны, между отверстием 24, с другой стороны, отверстиями 38, 40. Участок 42 перемычки может иметь кольцеобразную форму. Участок 42 перемычки окружен отверстием 24. Участок 42 перемычки может содержать группу крепежных устройств 44 (схематично изображены на фиг. 2), которые выполнены для присоединения линии текучей среды к каналу 18 для текучей среды. Например, крепежные устройства 44 могут быть выполнены в виде резьбовых отверстий для ввинчивания крепежных болтов.
Изобретение не ограничивается описанными выше предпочтительными примерами исполнения. Более того, возможно множество вариантов и преобразований, которые также могут быть использованы в соответствии с идеей изобретения и поэтому входят в область охраны. В частности, изобретение притязает также на охрану предмета и признаков дополнительных пунктов формулы изобретения, независимо от пунктов, на которые дана ссылка. В частности, признаки независимого п. 1 формулы изобретения раскрыты независимо друг от друга. Дополнительно также и признаки дополнительных пунктов формулы изобретения раскрыты независимо от всех признаков независимого п. 1 формулы изобретения и, например, независимо от признаков, относящихся к наличию и/или конфигурации канала для текучей среды, канала охлаждения и/или, по меньшей мере, одной выемки в материале независимого п. 1 формулы изобретения. Все приведенные здесь данные об областях следует понимать раскрытыми таким образом, что все встречающиеся в соответствующей области величины одновременно раскрыты по отдельности, например, также в качестве соответствующих предпочтительных внешних границ соответствующей области.
Перечень ссылочных обозначений
10 - Головка цилиндра
12 - Камера сгорания
14 - Главный корпус
14А - Область основания головки цилиндра
16 - Канал охлаждения
18 - Канал для текучей среды
20 - Выемка в материале
22 - Отверстие
24 - Отверстие
26 - Клапан
28 - Крепление
30 - Опорная область
32 - Область выемки
34 - Область выемки
36 - Канал
38 - Отверстие
40 - Отверстие
42 - Участок перемычки
44 - Крепежное устройство.