НАГРУЖЕННАЯ ТЕРМИЧЕСКИ И/ИЛИ МЕХАНИЧЕСКИ СТЕНКА ПРОВОДЯЩЕГО ЖИДКОСТЬ И/ИЛИ ГАЗ КОНСТРУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА, В ЧАСТНОСТИ ГОЛОВКИ БЛОКА ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
THERMALLY AND/OR MECHANICAL LOADED WALL OF FLUID-CONDUCTING AND/OR GAS CONSTRUCTION ELEMENT, IN PARTICULAR OF CYLINDER HEAD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к нагруженной термически и/или механически стенке проводящего жидкость и/или газ конструктивного элемента, в частности головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Известно, что стенки проводящих жидкость или газ конструктивных элементов, которые находятся под термической или термомеханической нагрузкой, имеют склонность к трещинообразованию. Известным, в сущности, образом склонность к трещинообразованию можно уменьшать посредством массивных конструкций и/или компенсационных зазоров и/или сокращения температурной нагрузки. Однако именно в моторостроении эти меры могут использоваться лишь ограниченно: массивные конструкции по причине ситуации с весом и издержками имеют узкие границы применения. Термическую нагрузку также практически нельзя сокращать, так как соответствующее условиям эксплуатации сгорание в двигателе внутреннего сгорания по термодинамическим причинам происходит при высокой температуре. Также высокая литровая мощность современных двигателей внутреннего сгорания обуславливает высокую термическую нагрузку, причем в частности головка блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания подвержена высоким термомеханическим нагрузкам. При этом, как известно, перегородки между клапанами являются наиболее опасными областями, в которых при эксплуатации двигателя возникают трещины, которые могут распространяться до смежного пространства с охлаждающей водой. Вследствие таких трещин охлаждающая вода попадает затем в камеру сгорания, что может приводить к водяному пару в выхлопном газе. При больших трещинах в режиме простоя двигателя камера сгорания может также наполняться охлаждающей жидкостью, что может приводить к гидравлическому удару при повторном запуске двигателя внутреннего сгорания. В конечном счете, сквозная трещина в области перегородки головки блока цилиндров приводит к сбою и выходу из строя двигателя внутреннего сгорания.
Уже известно, как предотвращать посредством так называемого стопора трещин распространение трещин в такой нагруженной термически и механически стенке конструктивного элемента, в частности прохождение трещины в критические области, а именно в области перегородки головки блока цилиндров. Например, в качестве стопора трещин известны вставки, которые в области перегородки головки блока цилиндров в виде залитого металлического листа плотно залиты под поверхностью камеры сгорания и параллельно к ней (DE 2847249 С2). Далее известны такие разделительные вставки (DE 3524776 A1), для которых использован материал с таким же или приблизительно с таким же тепловым расширением, как материал головки блока цилиндров, для того чтобы сокращать механическую нагрузку дна головки блока цилиндров и предотвращать трещинообразование.
Область трещин, на которой может образовываться трещина (выход трещины), может распространяться на относительно большой поверхности. Поэтому вышеизложенные известные меры по остановке трещинообразования являются дорогостоящими, причем в частности влитые стопоры трещин требуют для выполнения своей функции соответственно большого распространения в пространстве и должны располагаться рядом с поверхностью. Это может приводить к термическим проблемам в обращенной к камере сгорания области поверхности головки блока цилиндров в ближней области стопора трещин.
Задача изобретения - нагруженную термически и/или механически стенку проводящего жидкость или газ конструктивного элемента, в частности в области перегородки головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, сконструировать таким образом, что возможна эффективная целенаправленная остановка трещин с незначительными расходами.
Эта задача решается с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные усовершенствования являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Согласно изобретению предусмотрено, что в находящейся под угрозой трещинообразования области стенки конструктивного элемента на наружной стороне стенки предусмотрен инициатор трещин, который образует локализованное определенным образом место выхода трещин, так что тем самым может предотвращаться локально неконтролируемое образование и распространение трещин. Благодаря такой комбинации определенного инициатора трещин и стопора трещин они могут подстраиваться друг под друга. Таким образом, зарождение трещины целенаправленно инициируется инициатором трещин, вследствие чего, беря там начало, задается направление распространения трещины, и трещина в расположенной более глубоко области стенки, в частности в области перегородки головки блока цилиндров, может затем останавливаться стопором трещин с адаптированным меньшим распространением в пространстве. Тем самым при уменьшенных расходах и уменьшенном распространении стопора трещин может надежно предотвращаться сквозная трещина.
В соответствующей изобретению комбинации инициатор/стопор трещин может предпочтительно располагаться на большой глубине в стенке конструктивного элемента, в частности в области перегородки головки блока цилиндров, предпочтительно на глубине от 40% до 95% глубины стенки конструктивного элемента. Так как в уровне техники начало (старт) трещины не может определенно прогнозироваться, стопоры трещин располагаются там на глубине приблизительно только до 20% от глубины конструктивного элемента. Кроме того, в уровне техники соотношение области начала трещины (длины) к стопору трещин составляет от 1:1,2 до 1:1,5. Согласно изобретению это соотношение составляет от 1:2 до 1:6. Это обусловлено тем, что дефекты литья имеют относительно более сильное влияние на это соотношение.
Наиболее предпочтительно изобретение может использоваться в термически и механически сильно нагруженной, находящейся под угрозой трещинообразования области перегородки головки блока цилиндров, причем инициатор трещин предпочтительно проходит с наружной стороны стенки по клапанной перегородке между седлами клапанов.
При этом в зависимости от имеющихся конструктивных условий и имеющихся условий нагрузок инициатор трещин может проходить по всей своей длине непрерывно или в отдельных областях или точечно, и/или он может образовываться посредством ослаблений материала при помощи геометрических мер и/или посредством мер, связанных со свойствами материала.
Конкретно инициатор трещин может быть выполнен для этого в виде геометрического заданного места разрыва в форме надреза. Для этого геометрическое заданное место разрыва в качестве инициатора трещин может выполняться в частности режущим способом (например, фрезерованием) или способом обработки давлением (например, выдавливанием) или способом исходного формообразования (литьем).
Альтернативно или дополнительно к механическому удалению материала при помощи режущего способа материал может при необходимости испаряться, в частности при помощи электронного луча и/или при помощи лазерного луча. Также при определенных условиях возможно исполнение инициатора трещин посредством расплавления материала, в частности при помощи электронного луча и/или при помощи лазерного луча и/или при помощи индукционного нагрева.
Надрез в качестве инициатора трещин может также предварительно отливаться или вливаться, причем могут также использоваться дополнительные элементы, предпочтительно в зависимости от имеющихся условий. Подходящие инициаторы трещин могут изготовляться в виде литой детали из металла/сплава и/или керамики и/или стекла и/или других материалов, причем такая литая деталь не приварена или при необходимости приварена лишь с одной стороны или приварена неполностью, так что имеется целенаправленное ослабление материала для инициатора трещин. Далее это может достигаться посредством вплавления проволоки с лишь ограниченной (частичной) свариваемостью и/или пластинки с ограниченной (частичной) свариваемостью и/или порошка с ограниченной (частичной) свариваемостью. В качестве основного материала также возможны хорошо свариваемые материалы, если они обладают другими физическими свойствами, как, например, теплопроводность и/или тепловое расширение.
Далее альтернативно или дополнительно инициатор трещин может выполняться посредством целенаправленного охрупчивания материала. Например, в материалах чугунных отливок посредством наплавления материала и быстрого охлаждения может создаваться структура из ледебурита с концентратором напряжения, в частности посредством самозакаливания благодаря высокой остаточной массе или при помощи закалочных средств. Концентратор напряжения в сочетании с наплавлением материала может также достигаться в материалах чугунных отливок посредством закаливания и создания структуры мартенсит и/или бейнит. При помощи простой меры инициатор трещин в виде надреза может выдавливаться на стальной отливке (GS), чугунной отливке с шаровидным графитом (GJS), чугунной отливке с вермикулярным графитом (GJV) или алюминиевом сплаве в качестве материала головки блока цилиндров. На стальной отливке (GS), чугунной отливке с шаровидным графитом (GJS), чугунной отливке с вермикулярным графитом (GJV), чугунной отливке с пластинчатым графитом (GJL) или алюминиевом сплаве надрез может также создаваться или дополнительно обрабатываться режущим способом.
Беря начало на инициаторе трещин, направление распространения трещины задано термомеханической нагрузкой, благодаря которой трещина проходит, как правило, по направлению к противоположной стороне поверхности камеры сгорания головки блока цилиндров. Здесь теперь на относительно большом расстоянии от поверхности камеры сгорания головки блока цилиндров находится стопор трещин. Стопор трещин выполняется таким образом, что трещина не находит больше материал, где еще может происходить распространение трещины. Таким образом, стопор трещин может выполняться посредством удаления материала обычными режущими способами, как, например, сверление, фрезерование, распилка, расточка или посредством проплавления или испарения. При необходимости такое пустое пространство может заполняться твердым материалом с хорошей теплопроводностью, в частности медным стержнем или теплопроводным порошком, в частности медным порошком. Тем самым в штатном режиме эксплуатации достигается передача тепла, несмотря на стопор трещин, и вследствие этого термические условия меньше подвержены воздействию.
Однако может быть также достаточным стопор трещин в виде отделения материала головки блока цилиндров, что может достигаться посредством заливки материала, который не сваривается с материалом головки блока цилиндров, по меньшей мере, на обращенной к трещине стороне и таким образом не может передавать усилия, вследствие чего прерывается распространение трещины. Предпочтительна также конструкция, которая не вызывает или вызывает небольшое растягивающее напряжение в окружающем материале головки блока цилиндров. Здесь предпочтителен материал, который или загружается в горячем состоянии в литейную форму, является полым внутри и/или пластично деформируется посредством усадочных напряжений остывающего материала головки блока цилиндров, причем для этого для стопоров трещин предпочтительно используются несвариваемые материалы или материалы с лишь ограниченной свариваемостью и/или материал, который окружен предотвращающим приваривание разделительным слоем, и/или керамический материал и/или стеклянный материал и/или другие материалы.
Инициатор трещин отделен от стопора трещин материалом, через который распространяется трещина. В зависимости от имеющихся условий в альтернативном варианте осуществления распространение трещины может предупреждаться тем, что надрез инициатора трещин продолжается вплоть до стопора трещин.
В дальнейшем варианте осуществления в стенке конструктивного элемента друг над другом могут располагаться два или более обращенных к инициатору трещин стопора трещин. В этом случае в области клапанной перегородки головки блока цилиндров расположены два или более стопора трещин на различных расстояниях до обращенной к камере сгорания поверхности.
Для этого в клапанной перегородке головки блока цилиндров, если смотреть в направлении вертикальной оси, выше опоры кольца седла клапана может быть расположен первый стопор трещин, а ниже опоры кольца седла клапана и выше водяного пространства (камеры) может быть расположен второй стопор трещин. Если эти оба стопора трещин выполнены в виде проточек, то первый стопор трещин герметично закрывается кольцами седел клапанов, в то время как второй стопор трещин должен закрываться заглушками, для того чтобы предотвращать переход газа между отдельными каналами.
В дальнейшем варианте осуществления стопор трещин в виде проточки может проходить прямолинейно в месте наикратчайшего расстояния между двумя соседними седлами клапанов в клапанной перегородке, и/или он может проходить вертикально ниже инициатора трещин. В этом случае инициатор трещин в виде надреза проходит параллельно к стопору трещин или имеет дугообразную форму и/или при необходимости смещен к месту наикратчайшего расстояния.
Чтобы в случае трещины и ее остановки на стопоре трещин эта область, несмотря на трещину, получала достаточное охлаждение и тем самым была обеспечена работоспособность двигателя внутреннего сгорания, туда может целенаправленно перенаправляться охлаждающее вещество, например, посредством более высокого объемного расхода охлаждающего вещества. Такое изменение направления охлаждающего вещества может осуществляться через стенки в головке блока цилиндров и/или совместно с головкой блока цилиндров и/или на установочной втулке инжектора, вследствие чего охлаждающее вещество направляется непосредственно в область вокруг стопора.
Хотя предпочтительное применение изобретения заключается в применении для области перегородки головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, тем не менее, изобретение может универсально применяться в нагруженных термически и/или механически стенках конструктивных элементов. В частности изобретение может также предпочтительно использоваться в трубообразном канале выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, в частности в выпускном коллекторе. Благодаря вызванным условиями эксплуатации горячим выхлопным газам в канале выхлопного газа здесь также могут возникать находящиеся под угрозой трещинообразования области, в которых при помощи комбинации из инициатора трещин и стопора трещин может надежно предотвращаться сквозная трещина.
Далее заявляется способ для изготовления соответствующей изобретению стенки конструктивного элемента с инициатором трещин и стопором трещин.
При помощи чертежей разъясняются примеры осуществления изобретения. На чертежах:
фиг. 1 показывает первый вариант осуществления комбинации из инициатора трещин и стопора трещин в области клапанной перегородки двигателя внутреннего сгорания,
фиг. 2 показывает второй вариант осуществления комбинации инициаторов трещин и стопоров трещин в области клапанной перегородки,
фиг. 3 показывает третий вариант осуществления комбинации из инициатора трещин и стопора трещин в области клапанной перегородки,
фиг. 4 показывает четвертый вариант осуществления комбинации из инициатора трещин и стопора трещин в области клапанной перегородки, и
фиг. 5 показывает пятый вариант осуществления комбинации из инициатора трещин и стопора трещин в канале выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания.
На фиг. 1 показан вид сверху на частичную область головки 1 блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания в области двух соседних седел 2, 3 клапанов. В качестве инициатора трещин на верхней стороне стенки 5 перегородки выполнен надрез 4, причем надрез 4 расположен с небольшим смещением от места наикратчайшего расстояния между седлами клапанов. Проточка 6 в качестве стопора трещин проходит параллельно к поверхности стенки 5 перегородки внутри этой стенки в виде соединения седел 2, 3 клапанов ниже надреза. Для лучшего восприятия седла клапанов на всех фигурах показаны без колец седел.
Фиг. 2 показывает альтернативное второе расположение комбинации инициаторов трещин и стопоров трещин.
Для этого фиг. 2 показывает вид в перспективе сверху на частичную область 4-х клапанной головки 1 блока цилиндров с четырьмя седлами 3a, 3b, 3c, 3d клапанов. В отличие от фиг. 1 здесь в каждом случае в областях клапанных перегородок в месте наикратчайшего расстояния между седлами клапанов расположен соответствующий надрез 4а, 4b, 4с, 4d в качестве инициатора трещин. Стопоры трещин в виде проточек 6а, 6b, 6с, 6d, будучи, как и на фиг. 1, смещены вниз от надрезов 4а, 4b, 4с, 4d, расположены в стенке 5 в месте наикратчайшего расстояния между седлами клапанов. При этом проточки 6а, 6b, 6с, 6d в качестве стопоров трещин в каждом случае расположены выше опорных поверхностей 7 для (не изображенных) колец седел клапанов и выше водяных пространств (камер) 8.
На фиг. 3 при помощи разреза в соответствии с областью А разреза на фиг. 2 изображен третий вариант осуществления расположения инициатора трещин в виде надреза 4е и двух проточек 6e и 6f в качестве стопоров трещин. Как и на фиг. 2, надрез 4е в качестве инициатора трещин проходит по поверхности стенки 5 перегородки в месте наикратчайшего расстояния между седлами клапанов. Равным образом, как и в осуществлении согласно фиг. 2, первая проточка 6e в качестве первого стопора трещин проходит также параллельно к надрезу 4е в стенке 5 в месте наикратчайшего расстояния между седлами клапанов чуть выше опорных поверхностей 7 для колец седел клапанов. Так как должен предотвращаться обмен газа между седлами клапанов, для проточки 6e (также как и для проточки 6b на фиг. 2) может осуществляться уплотнение посредством соответствующих смежных колец седел клапанов. Другая проточка 6f в качестве второго стопора трещин расположена в стенке 5 перегородки параллельно первой проточке 6e ниже опорных поверхностей 7, но выше водяного пространства 8. Уплотнение может достигаться здесь посредством заглушек или других запорных элементов. Однако посредством таких заглушек или запорных элементов силовое и/или геометрическое замыкание не должно распространяться настолько, что вследствие этого трещина могла бы распространяться далее. Если в этом расположении трещина, беря начало на инициаторе трещин в виде надреза 4е, прошла до первого стопора трещин соответственно до первой проточки 6e, то она должна там регулярно останавливаться во избежание дальнейшего распространения. В этом случае при дальнейшей сильной нагрузке с дальнейшим образованием трещин проточка 6e служит здесь в качестве инициатора трещин для второй примыкающей трещины, которая выходит затем точно отсюда и перехватывается вторым стопором трещин в виде проточки 6f.
На фиг. 4 в соответствии с областью В с фиг. 2 в четвертом варианте осуществления изображено другое альтернативное расположение надреза 4f в качестве инициатора трещин в комбинации с двумя проточками 6g, 6h в качестве двух стопоров трещин в области стенки 5. Аналогично, как и в третьем варианте осуществления на фиг. 3, инициатор 4f трещин и оба стопора 6g и 6h трещин расположены здесь параллельно друг над другом в месте наикратчайшего расстояния между седлами клапанов. Тем не менее, в четвертом варианте осуществления надрез 4f в качестве инициатора трещин продлен дальше вниз вплоть до первого стопора трещин в виде проточки 6д. Этот первый стопор трещин с проточкой 6g уже является причиной значительного уменьшения местного напряжения, и его можно лишь приблизительно рассматривать в качестве стопора трещин, так как первая трещина уже является сквозным надрезом 4f. Если, беря начало на проточке 6g, образуется трещина, то в этом случае вторая проточка 6h выполняет функцию стопора трещин. Надрез, будучи здесь продлен с наклоном до стопора, может задавать в некотором роде наклонный ход трещины.
Использование комбинации инициатор/стопор трещин показывает в дальнейшем пятом варианте осуществления фиг. 5 на трубообразном канале 9 выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания. Здесь показан разрез через находящуюся под угрозой трещинообразования область 10 по плоскости надреза 4g в качестве инициатора трещин и залитой вставки 11 в качестве стопора трещин. Надрез 4g в качестве инициатора трещин может создаваться, например, вследствие того, что на литейном стержне канала выхлопного газа имеется клинообразная выпуклость, в частности в том случае, если такая область недоступна для механической обработки. Стопор трещин в виде вставки 11 может быть образован посредством залитого, но не приваренного стального листа.
список ссылочных позиций
1 головка блока цилиндров
2 седло клапана
3 седло клапана (3a, 3b, 3c, 3d)
4 надрез, инициатор трещин (4а, 4b, 4с, 4d, 4f, 4g)
5 стенка перегородки
6 проточка, стопор трещин (6a, 6b, 6c, 6d, 6e, 6f, 6g, 6h)
7 опорная поверхность для колец седел клапанов
8 водяное пространство
9 канал выхлопного газа
10 находящаяся под угрозой трещинообразования область
11 вставка