ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С КОНТУРОМ ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH LIQUID COOLING CIRCUIT

Область техники
Настоящее изобретение относится к контурам охлаждения для двигателей внутреннего сгорания.
Уровень техники
Головку блока цилиндров и цилиндры двигателей внутреннего сгорания требуется правильно охлаждать. Контур охлаждения содержит участок, находящийся вне двигателя внутреннего сгорания и содержащий по меньшей мере один радиатор, и участок, находящийся внутри двигателя, который содержит один или более канал, проходящий через термически критические области двигателя. Охлаждающая жидкость, поступающая из внешнего участка контура охлаждения, обычно подается в рубашку блока цилиндров, а из нее течет к головке блока цилиндров двигателя для охлаждения находящихся в нем органов.
Предполагая, что цилиндр расположен вертикально, охлаждающая жидкость движется снизу вверх, а именно, от охлаждающей камеры блока цилиндров к головке блока цилиндров. Затем она собирается для возврата во внешний участок контура охлаждения.
Наиболее критические области находятся рядом с так называемой областью, находящейся в прямом контакте с пламенем ("flame deck"). Такие органы как инжекторы и клапаны, особенно выпускные отверстия, необходимо соответственно охлаждать.
В патенте США № 8584627 показано решение, в котором головка блока цилиндров охлаждается с помощью двух камер, а именно, нижней камеры, расположенной рядом с камерой сгорания, и соседней верхней камеры, расположенной сверху и рядом с нижней камерой. Обе проходят перпендикулярно к оси развертки цилиндра.
Согласно такой компоновке, жидкость входит в охлаждающую камеру блока цилиндров, а из нее первая часть поступает в нижнюю камеру, а вторая часть поступает в верхнюю камеру. Первая часть, поступившая в верхнюю камеру, затем поступает в нижнюю камеру и соединяется со второй частью.
В нижней камере находится выпускное отверстие, которое создает сообщение между внутренней частью контура охлаждения двигателя и его внешней частью.
Нижняя камера согласно патенту США № 8584627 предназначена для охлаждения областей, находящихся в прямом контакте с пламенем, и выпускных отверстий головки блока цилиндров, но в описании и на чертежах не показано расположение так называемых байпасных отверстий относительно впускных и выпускных отверстий.
То же относится и к каналам, ведущим в верхнюю камеру, которые, согласно описанию, могут быть расположены на противоположных продольных сторонах головки блока цилиндров.
В публикации WO 2016075521 приведена диаграмма, на которой внутренний контур двигателя имеет U-образную форму, при этом впуск и выпуск расположены на боковой стороне двигателя так, чтобы U была ориентирована параллельно линии расположения разных цилиндров двигателя так, чтобы охлаждающая жидкость сначала последовательно охлаждала верхнюю часть всех впускных окон всех цилиндров, а затем нижнюю часть эти окон в последовательности, которая является обратной предыдущей последовательности. Следовательно, U-образный путь расположен в плоскости, параллельной плоскость, в которой лежит ось, по которой выровнены цилиндры.
Полагается, что такую компоновку можно улучшить. На самом деле трудно обеспечить поступление охлаждающей жидкости в верхнюю камеру, когда водяной насос снижает расход охлаждающей жидкости.
Краткое описание изобретения
Целью настоящего изобретения является усовершенствование вышеописанных компоновок системы охлаждения по патенту США № 8584627 и публикации WO 1016075521.
Другой целью настоящего изобретения является создание деталей реализации, отсутствующих в патенте США № 8584627.
Идея, на которой основано изобретение, заключается в разделении контура охлаждения головки блока цилиндров на две камеры, как описано в патенте США № 8584627, а именно, на верхнюю камеру и нижнюю камеру. Последняя примыкает к областям, находящимся в прямом контакте с пламенем и, следовательно, расположена между верхней камерой и областями, находящимися в прямом контакте с пламенем.
Кроме того, согласно настоящему изобретению, контур охлаждения каждого цилиндра определяет по существу U-образный путь, который проходит между этими верхней и нижней камерами. Этот путь ориентирован перпендикулярно плоскости, в которой лежат оси двух или более цилиндров, которые определяют двигатель внутреннего сгорания, или, проще, он ориентирован поперек коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.
Таким образом, впускное отверстие выполнено в верхней или нижней камере, а выпускное отверстие выполнено в нижней или верхней камере, соответственно, на одно и той же стороне блока цилиндров рядом с впускным или выпускным окном. Предпочтительно, впуск и выпуск расположены на той стороне двигателя внутреннего сгорания, на которой расположены выпускные отверстия так, чтобы охлаждающая жидкость, протекая по U-образному пути, охлаждала сначала верхнюю часть, а затем, нижнюю часть, головки блока цилиндров, или наоборот.
Поэтому, двигатель внутреннего сгорание имеет столько U-образных контуров, сколько у него цилиндров. Эта плоскость далее будет именоваться плоскостью выравнивания.
Согласно предпочтительному варианту изобретения охлаждающая жидкость подается в головку блока цилиндров и, точнее, в верхнюю камеру и нижнюю камеру снаружи двигателя. Отсюда жидкость движется поперечно оси развертки цилиндра и перпендикулярно плоскости выравнивания, затем течет вниз, тем самым заполняя нижнюю камеру головки блока цилиндров и, наконец, движется обратно, достигая выпускного отверстия, расположенного в верхней камере головки.
За счет этого можно обеспечить непрерывный и адекватный приток охлаждающей жидкости также и в условиях низкого расхода насоса охлаждающей жидкости и, в то же время, обеспечить эффективное охлаждение головки блока цилиндров двигателя.
Согласно предпочтительному варианту изобретения жидкость поступает в нижнюю камеру головки, течет из области, окружающей выпускные каналы, к области, окружающей впускные каналы, и, отсюда, поступает в верхнюю камеру в основном через одно или более отверстие, примыкающее к впускным каналам и - при необходимости и вторично - через одно или более отверстие, примыкающее к инжектору, которые расположен центрально между впускными и выпускными отверстиями готовки так, чтобы охлаждать инжектор.
В охлаждающую камеру цилиндра охлаждающая жидкость предпочтительно подается через внешнее отверстие, независимое от отверстий в головке. Альтернативно, охлаждающая жидкость поступает в двигатель через камеру охлаждения блока цилиндров, затем движется вверх, достигая нижней камеры, а из нее сформирован упомянутый выше U-образный путь.
Согласно предпочтительному варианту изобретения впускное отверстие, впускающее охлаждающую жидкость в камеру охлаждения блока цилиндров, расположено на той стороне двигателя, где находятся впускные каналы этих двух или более цилиндров так, что между путем, имеющемся в камере охлаждения блока цилиндров и путем, имеющемся в головке соответствующего цилиндра можно получить - в целом - S-образный путь, где ось литеры S совпадает или проходит в любом случае параллельно оси соответствующего цилиндра, при этом литера S лежит в плоскости, перпендикулярной вышеупомянутой плоскости выравнивания или - что равнозначно - перпендикулярно коленчатому валу.
Камера охлаждения блока цилиндров и нижняя камера головки могут быть при необходимости соединены регулируемым отверстием для удаления воздуха из охлаждающей камеры блока цилиндров в области впускного отверстия камеры охлаждения блока цилиндров.
Аналогично, регулируемое отверстие для удаления воздуха может быть расположено между нижней камерой и верхней камерой, на той же стороне, где расположено выпускное отверстие контура.
Эти регулируемые отверстия не пропускают поток, превышающий 10-20% охлаждающей жидкости, поэтому концепции, описанные выше, не меняются. Возможное наличие таких регулируемых отверстий оправдывает использование термина "по существу" в выражении "по существу U-образный".
Согласно настоящему изобретению предлагается двигатель внутреннего сгорания, содержащий контур жидкостного охлаждения по п. 1 формулы изобретения.
Согласно настоящему изобретению далее предлагается способ охлаждения двигателя внутреннего сгорания.
Формула изобретения описывает предпочтительные варианты изобретения и является неотъемлемой частью описания.
Краткое описание чертежей
Другие цели и преимущества изобретения буду лучше понятны из нижеследующего подробного описания его варианты (и связанных с ним вариантов) со ссылками на приложенные чертежи, на которых показаны просто неограничивающие примеры, и на которых:
Фиг. 1 - схематическая иллюстрация контура охлаждения по первому предпочтительному варианту изобретения;
Фиг. 2 - сечение нижней камеры охлаждения головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания в компоновке с фиг. 1;
Фиг. 3 - сечение двигателя внутреннего сгорания с фиг. 2 по оси симметрии блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания и перпендикулярно коленчатому валу;
Фиг. 4 - схематическая иллюстрация контура охлаждения по второму предпочтительному варианту изобретения;
Фиг. 5 - сечение нижней камеры охлаждения головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания в компоновке с фиг. 4; и
Фиг. 6 - сечение верхней камеры охлаждения головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания в компоновке с фиг. 4.
На чертежах одинаковые компоненты или элементы обозначены одними и теми же позициями.
Для облегчения понимания изобретения эквивалентные детали в разных вариантах обозначены одними и теми же позициями.
Для целей настоящего изобретения термин "второй" компонент не подразумевает наличие "первого" компонента. Эти термины применяются для большей ясности и не должны толковаться в ограничительном смысле.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
На фиг. 1 схематически показана часть двигателя внутреннего сгорания, в частности, соответствующий контур охлаждения, расположенный внутри двигателя. Компоновка показана в продольном сечении блока цилиндров, т.е., параллельно оси Х развертки цилиндра 3 в направлении, перпендикулярном коленчатому валу CS (проходящему перпендикулярно плоскости чертежа), ориентированным так, что на левой части чертежа расположены - в идеале - впускные окна, а на правой стороне - выпускные окна. Предполагая, что двигатель внутреннего сгорания содержит обычно два или более цилиндра, плоскость, в которой лежат оси этих двух или более цилиндров именуется "плоскостью выравнивания".
Поэтому, сечения на фиг. 1, 3 и 4 проходят перпендикулярно си выравнивания и приблизительно проходят через ось Х симметрии блока цилиндров. Впускной канал 18 и выпускной канал 6 показаны на фиг. 1, 3 и 4 штриховыми линиями. На фиг. 4 они явно обозначены как "Intake" (впуск) и "Exhaust" (выхлоп).
Контур содержит камеру 2 охлаждения блока 3 цилиндров. Она может быть единственной, или может быть разделена на две части. Кроме того, когда двигатель внутреннего сгорания содержит множество цилиндров, каждый цилиндр может иметь собственную индивидуальную камеру охлаждения, или два или более цилиндра могут иметь одну общую камеру охлаждения. Кроме того, если множество цилиндров используют общую камеру охлаждения, она может быть разделена на части, общие для всех этих цилиндров.
Камера 2 охлаждения блока 3 цилиндров предпочтительно непосредственно соединена с "внешней" частью контура охлаждения двигателя через отверстие 19. Эта внешняя часть содержит по меньшей мере один радиатор (не показан), рассеивающий теплоту в атмосферу. Насос (не показан) обеспечивает циркуляцию охлаждающей жидкости.
Согласно настоящему изобретению контур охлаждения головки блока цилиндров, как и в патенте США № 8584627, сформирован двумя камерами, нижней камерой 8, примыкающей к областям 14, непосредственно контактирующим с пламенем, и верхней камерой 5, примыкающей к нижней камере и расположенной над ней. Другими словами, нижняя камера, расположена между областью 14, непосредственно контактирующей с пламенем, и верхней камерой 5.
Согласно первому варианту изобретения охлаждающая жидкость подается непосредственно в верхнюю камеру 5 из внешней части контура охлаждения по предназначенному для этого шлангу (не показан).
Следовательно, двигатель предпочтительно содержит два независимых впуска: один 19 в картере В двигателя для подачи охлаждающей жидкости в блок цилиндров, и один 13 в головке Н блока для подачи охлаждающей жидкости в верхнюю камеру 5 головки Н блока.
Предпочтительно, впуск 13 расположен рядом с выпускными каналами так, чтобы жидкость, входящая в верхнюю камеру головки блока, текла из области, окружающей выпускные каналы, поперечно, в направлении области, окружающей впускные каналы, и достигала нижней камеры в первую очередь через концевое отверстие 7, расположенное рядом с впускными окнами на стороне, противоположной впускному отверстию 13 и, маргинально, через отверстие 11, расположенное рядом с инжектором 9, что применяется исключительно при необходимости, и позволяет жидкости охлаждать инжектор, который расположен приблизительно в центральном положении.
Таким образом, это отверстие проходит параллельно оси соответствующего цилиндра в периферийном положении относительно впускных окон IV.
Выпускное отверстие 17 головки блока цилиндров, которое позволяет собирать жидкость после того, как она выполнила свою функцию, расположено на той же стороне, что и отверстие 13, поэтому охлаждающая жидкость после попадания в нижнюю камеру, движется в противоположном направлении относительно направления движения в верхней камере, а именно, от впускных окон к выпускным окнам, следую по U-образному пути. Литера U лежит в плоскости, перпендикулярной коленчатому валу, а ось литеры U перпендикулярна оси цилиндра.
Предпочтительно, нижняя камера 8 содержит концевую часть 16, которая отходит вверх от нижней камеры и окружает концевую часть выпускного канала (каналов) 6, чтобы отбирать от них дополнительную теплоту прежде, чем охлаждающая жидкость выйдет во внешнюю часть контура охлаждения.
Этот первый вариант, показанный на фиг. 1-3, предпочтительно содержит выпускные каналы, интегрированные в головку блока цилиндров двигателя.
Камера 2 охлаждения блока цилиндров предпочтительно охлаждается независимым потоком жидкости, который, по существу, пересекает ее от выпускных окон к впускным окнам. В этом случае жидкость собирается на противоположной стороне относительно коленчатого вала, в левой части чертежа, относительно впускного отверстия 19 и, следовательно, также на противоположной стороне относительно впуска 13 головки и выпуска 17 головки. Другими словами, выпускное отверстие находится на той же стороне двигателя, соответствующей впускным каналам.
Га фиг. 1 показан накал DG, который создает сообщение между камерой охлаждения блока цилиндров и нижней камерой 8. Это отверстие, предпочтительно регулируемой, в прокладке головки блока цилиндров, выполнено с возможностью допускать выпуск воздуха из камеры охлаждений блока цилиндров.
На фиг. 1 схематически показана штрихпунктирная ось Х, которая представляет ось цилиндра 3, которая может быть осью вращения, если цилиндр имеет цилиндрическую симметрию, на которой предпочтительно сцентрирован инжектор 9. Тем не менее, сечение цилиндра 3, перпендикулярное оси развертки цилиндра 3, может быть эллипсоидальным, а инжектор 9 может быть расположен не точно по центру.
На фиг. 2 показано сечение в плоскости, поперечной оси Х, проходящей через нижнюю камеру 8. На нем показаны отверстия относительно камеры охлаждения блока цилиндров и, штриховой линией, впускное отверстие 7 для жидкости, приходящей из верхней камеры.
Это сечение предпочтительно симметрично относительно оси Х. Это значит, что любая позиция, используемая на оной стороне фиг. 2, также присутствует и на другой стороне чертежа.
Головка блока цилиндров двигателя предпочтительно относится к 4-клапанному типу, а именно, имеет два впускных клапана IV и два выпускных клапана EV, с инжектором 9, расположенным в центре.
Согласно фиг. 2, ось Y симметрии проходит так, что с каждой ее стороны находится впускной клапан EV и выпускной клапан EV. Другими словами, два выпускных клапана расположены рядом друг с другом, и два впускных клапана расположены рядом друг с другом.
Положение выпускных окон и инжектора можно немного изменить, превратив ось Y симметрии в ось, разделяющую две несимметричные стороны головки.
Отверстие 7 (в первую очередь) и отверстие 11 (при необходимости) сообщаются с верхней камерой 5, расположенной сверху, из которой нижняя камера получает охлаждающую жидкость.
Для лучшего восприятия, на фиг. 1 также показаны потоки F1, F2, текущие через соответствующие отверстия 7 и 11.
Первая и большая часть F1 охлаждающей жидкости течет из верхней камеры 5 в нижнюю камеру 8 через отверстие 7, которое расположено между впускными клапанами IV и стенкой двигателя, расположенной напротив стенки, в которой расположено впускное отверстие 13. Поэтому это отверстие 11 лежит на оси Y или рядом с ней.
Вторая и меньшая часть F2 охлаждающей жидкости течет из верхней камеры 5 в нижнюю камеру 8 через отверстие 11, расположенное между посадочным гнездом инжектора и выпускными клапанами EV. Поэтому отверстие 11 лежит на оси Y или рядом с ней. Очевидно, что отверстия 11 и 7 предназначены для создания сообщения между камерами 8 и 5 и могут быть наклонными, т.е. не обязательно параллельными оси Х.
Предпочтительно, отверстие 7 и, при необходимости, отверстие 11 сообщаются с наружным пространством головки блока через ее верхнюю поверхность и изолированы от наружного пространства перекрывающим средством. В частности, после отливки головки блока цилиндров, выполняются подходящие отверстия и после проверки, которая позволяет операторам убедиться, что отверстия 7 и 11 сформированы правильно, эти контрольные отверстия закрываются резьбовыми пробками или сваркой.
Часть охлаждающей жидкости, входящей через отверстие 7, показанное штриховой линией на фиг. 2, вместе с минимальной частью жидкости, которая может войти из дегазирующих отверстий, продолжает течь по периферии до выпускного отверстия 17. Другая часть жидкости течет центрально от отверстия 7, огибает инжектор и, протекая дальше, достигает выпускного отверстия 17. Для целей настоящего описания термины окна и клапаны могут применяться взаимозаменяемо при условии, что охлаждение клапанов косвенно осуществляется охлаждением соответствующих окон.
Предпочтительно, первая часть F1 жидкости составляет 60-7-% от всего потока жидкости, охлаждающей головку блока. Поэтому, вторая часть F2 жидкости составляет остальные 30-40% потока.
Вариант, показанный на фиг. 4 отличается от предыдущего, поскольку циркуляция охлаждающей жидкости происходит из нижней камеры 8 в верхнюю камеру 5.
Поэтому, в данном случае, вновь, охлаждающая жидкость течет по U-образному пути в головке блока, а ось литеры U лежит в плоскости, перпендикулярной коленчатому валу и проходит через ось Х соответствующего цилиндра, при этом ось литеры U перпендикулярна оси Х соответствующего цилиндра.
Как и в варианте по фиг. 1, впуск для жидкости обозначен позицией 13, но он расположен в нижней камере и может сообщаться с наружным пространством или, как видно на фиг. 4, он может сообщаться с камерой 2 охлаждения блока цилиндров.
Во втором случае, охлаждающая жидкость входит в двигатель через единственный впуск 19 в камере 2 охлаждения блока цилиндров и достигает противоположной стороны двигателя, течет вверх и попадает в нижнюю камеру 8 через соответствующее отверстие (отверстия) 13.
В этой точке жидкость течет назад, перемещаясь от выпускного канала (каналов) к впускному каналу (каналам), движется вверх через отверстие 7 и попадает в верхнюю камеру 5, после чего течет назад в направлении обратном предыдущему, и идущему от впускного канала (каналов) к выпускному каналу (каналам).
Может иметься вспомогательное отверстие 11, расположенное напротив отверстия 7 относительно инжектора 9. Это отверстие 11 предпочтительно расположено между инжектором и двумя выпускными отверстиями цилиндра, когда двигатель имеет четыре клапана на цилиндр, как показано на фиг. 5.
Вспомогательное отверстие может просто выполнять функцию дегазации нижней камеры или может пропускать вторичный поток, который в любом случае не превышает 20-30% от общего расхода жидкости.
Согласно предпочтительному аспекту изобретения, выпускные каналы интегрированы в головке блока цилиндров двигателя.
Верхняя камера имеет такую форму, чтобы охватывать внешнюю часть выпускного канала (каналов), таким образом создавая спиральную циркуляцию, которая закручивается вокруг этого выпускного канала (каналов).
Благодаря такой форме можно сказать, что участок 58 верхней камеры, ближайший к выпускному каналу (каналам), проходит в головке вниз до того же уровня, что и нижняя камера 8, но он имеет выпускное отверстие, расположенное в наивысшей точке верхней камеры 5, так, чтобы выпускать возможно образующийся газ.
На фиг. 5 в сечении, проходящем поперечно оси Х, показана нижняя камера в компоновке по фиг. 4. Видно наличие пары отверстий 13, расположенных симметрично относительно оси Y симметрии, проходящей через инжектор 9. Эта ось симметрии также перпендикулярна коленчатому валу CS.
Применение пары отверстий 13 вместо единственного отверстия обусловлен наличием четырех клапанов на цилиндр, но концепция, лежащая в основе изобретения, от этого не меняется.
Отверстия 4 в основном выполняют функцию удаления воздуха из камеры 2 охлаждения блока 3 цилиндров. Они расположены на противоположной стороне от впускных отверстий 13 относительно оси Y симметрии головки блока.
Ось Y симметрии проходит перпендикулярно коленчатому валу и проходит сквозь инжектор 9 и, следовательно, через ось Х соответствующего цилиндра.
Поэтому, поток охлаждающей жидкости через отверстия 4 на превышает 0-20% от общего потока.
На фиг. 6 показана верхняя камера 5 варианта, показанного на фиг. 4. Можно видеть основное отверстие 7, через которое охлаждающая жидкость течет из нижней камеры в верхнюю камеру, чтобы через нее течь обратно к выпускному каналу (каналам) 6 и собираться для рециркуляции через внешнюю часть контура охлаждения двигателя.
Из вышеприведенного описания специалист может воспроизвести настоящее изобретение, не внося другие производственные детали. Информация, содержащаяся в разделе, описывающем текущий уровень техники, должна считаться неотъемлемой частью подробного описания, если она конкретно не исключена отличиями, явно описанными в описании.