ГОЛОВКА БЛОКА ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению, в частности к конструкциям головок блока цилиндров двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Известны головки блока цилиндров ДВС, выполненные из алюминиевого сплава и имеющие четыре точки крепления на каждый цилиндр блока двигателя для ДВС, имеющих степень сжатия 7-8 и рабочее давление в цилиндре, не превышающее 50-55 бар. Например, головка блока цилиндров двигателя ЗМЗ - 402.10 и ее семейства, со степенью сжатия 7÷8 и имеющих рабочее давление в цилиндре, не превышающее 50-55 бар. Признаком аналога является высота головки блока цилиндров, отнесенная к расстоянию между соседними болтами крепления ее к блоку цилиндров. Конструктивная высота этих головок блока цилиндров определялась компоновкой конструктивных элементов - деталей газораспределительного механизма, камерой сгорания, рубашкой охлаждения, и была достаточной для общей жесткости, обеспечивающей надежное уплотнение газового стыка между головкой блока цилиндров и цилиндрами окантованной прокладкой «мягкого типа» (см. «Руководство по эксплуатации, ремонту и техническому обслуживанию автомобиля «Волга» ГАЗ 2410», изд. Москва ТОО «Линия», 1995 г., стр.3, 13 и «Автомобиль ГАЗ 53-12. Устройство, техническое обслуживание, ремонт» изд. Транспорт, 1995 г., стр.4, 25 и 32).
Недостатком такой конструкции является невозможность из-за недостаточной жесткости головки цилиндров обеспечения надежной работы газового стыка при увеличении степени сжатия, необходимого для снижения расхода топлива и уменьшения вредных выбросов.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является головка блока цилиндров ДВС, выполненная из алюминиевого сплава и имеющая четыре точки крепления на каждый цилиндр блока цилиндров для двигателя ВАЗ-2101, показавшая хорошие характеристики по надежности уплотнения газового стыка для степени сжатия 8÷8,5 и рабочего давления в цилиндре 55-60 бар. Для этой головки цилиндров расстояния между соседними болтами крепления головки блока цилиндров к диаметру цилиндра в продольном направлении совпадает с межцентровым расстоянием и равно 95 мм (см. журнал «За рулем», октябрь 2002 года, стр.82), и при размере диаметра цилиндра 76 мм (см. журнал «За рулем», октябрь 2002 года, стр.83) можно получить соотношение:
а высота головки блока цилиндров H=112,5 мм:
H=1,18*B.
(информация с сайта: www.motors-vaz.ru/vaz2103.html).
где B - расстояние между осями крепежа головки цилиндров к блоку цилиндров, мм
ц
D - диаметр цилиндра двигателя, мм
H - высота головки блока цилиндров от плоскости прилегания к блоку цилиндров до плоскости прилегания крышки головки цилиндров; мм
К недостаткам данной конструкции головки блока цилиндров относится большое расстояние B и недостаточная высота головки блока цилиндров H, что вызывает значительную амплитуду перемещений от деформации головки цилиндров газовыми силами и невозможность надежного уплотнения газового стыка при увеличении рабочего давления более 55-60 бар.
Увеличение высоты H головки блока цилиндров более 1,4 В также нежелательно, так как ведет к необоснованному с точки зрения жесткости перерасходу металла и увеличению габаритов двигателя и указывает на несовершенство конструкции.
Сущность полезной модели заключается в разработке такой конструкции головки блока цилиндров ДВС, которая позволяет получить оптимальный размер высоты головки блока цилиндров ДВС для двигателей со степенью сжатия от 9 и более и с давлением в цилиндре более 60 бар при соответствующем росте нагрузок на детали, формирующие газовый стык.
Технический результат от применения предлагаемой полезной модели заключается в повышении надежности газового стыка для возможности использования степени сжатия более 9 и рабочего давления в цилиндрах более 60 бар при оптимальных габаритах и расходе металла на головку цилиндров.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что головка блока цилиндров ДВС выполненная из алюминиевого сплава и имеющая четыре точки крепления на каждый цилиндр двигателя в двигателях со степенью сжатия от 9 и более, в которой конструктивная высота головки цилиндров определяется по соотношению:
H=K*B,
где H - высота головки блока цилиндров от плоскости прилегания к блоку цилиндров до плоскости прилегания крышки клапанов,
B - расстояние между соседними болтами крепления головки блока цилиндров к блоку,
K - безразмерный коэффициент от 1,33 до 1,37
Размер B в свою очередь определяется из соотношения:
ц
B=1,11*D,
ц
D - диаметр цилиндра, округляется до целого числа в мм.
В случае если головка блока цилиндров ДВС конструируется для семейства двигателей, имеющих цилиндры нескольких диаметров, для расчета размера В берется наибольший диаметр цилиндра из семейства.
Выполнение головки цилиндров ДВС с описанной выше конструкцией и использованием всей предложенной совокупности существенных признаков позволяет получить оптимальную по массогабаритным показателям, простую и надежную конструкцию двигателей с повышенным рабочим давлением для обеспечения экологических норм и экономичности.
Для пояснения настоящей полезной модели приведены следующие иллюстрации: на фиг. 1 показана схема ДВС в разрезе; на фиг. 2 - схема головки цилиндров вид сверху.
Конструктивно головка блока цилиндров 1 (Фиг. 1) представляет собой отлитую из алюминиевого сплава деталь, длиной и шириной, соответствующую блоку цилиндров 3 (Фиг. 1), высотой, необходимой для размещения в ней газовых каналов, каналов рубашки охлаждающей жидкости и масляных каналов, а также деталей и узлов газораспределительного механизма и отверстий для болтов крепления головки блока цилиндров 1 к блоку цилиндров 3.
Обычно для уплотнения газового стыка между головкой блока цилиндров 1 и блоком цилиндров 3 устанавливают уплотнительную прокладку 2 (Фиг. 1). На представленных чертежах внутренние элементы конструкции головка блока цилиндров условно не показаны.
ц
Головка цилиндров работает следующим образом. При рабочем такте давление газов в цилиндре двигателя повышается и превышает 60 бар. Давление газов действует на поверхность головки цилиндров, ограниченную уплотнительным периметром прокладки цилиндров (она немного превышает D для исключения контакта с поршнем) и деформирует головку цилиндров. Причем наибольшая деформация соответствует приблизительно середине пролета между соседними болтами крепления головки блока цилиндров к блоку цилиндров B. Требование к ограничению деформации уплотняемой поверхности достигается тем, что основные параметры жесткости головки цилиндров Вин связываются предлагаемыми в полезной модели соотношениями. Назначение величины соотношений вытекает из применения известной формулы вычисления прогиба балки (10.63) стр.271 «Сопротивление материалов», Г.С. Писаренко и др., издательское объединение «Виша школа», Киев, 1973 г.
,
где f - прогиб балки
q - распределенная нагрузка
l - расстояние между опорами
E - модуль упругости материала
I - момент инерции сечения балки.
Для анализа подобных конструкций головок цилиндров величина q определяется величиной давления газов в цилиндре, а распределение можно считать одинаковым.
3
Расстояние между опорами l в нашем случае соответствует - В, модули упругости одинаковы для сравниваемых алюминиевых головок и при сравнении сокращаются, также как и числовые коэффициенты. Момент инерции головки цилиндров определяется как произведение (В) на третью степень высоты (H).
В результате для анализа формула упрощается до:
(считаем, что прогибы равны).
f
где K - некий числовой коэффициент, одинаковый для подобных головок цилиндров,
z1
P - максимальное рабочее давление в цилиндре прототипа,
z2
P - максимальное рабочее давление в проектируемом, с использованием полезной модели, двигателя.
Упрощая, получим:
Таким образом видно очень сильное (в 3 степени) воздействие на жесткость головки уменьшением B и увеличением H.
ц
Уменьшение В наиболее желательно с точки зрения компактности и совершенства конструкции, но уменьшать его менее 1,10 практически невозможно по конструктивным соображениям, поэтому в предлагаемой полезной модели величина В рекомендована 1,11*D. Увеличение Н при этом рекомендовано до (1,33÷1,37)5, что обеспечивает надежное уплотнение газового стыка для возможности увеличения рабочего давления в цилиндре до практически применяемых в любых современных конструкциях ДВС.
Преимущество полезной модели состоит в том, что по сравнению с известными головками блока цилиндров ДВС, предложенная конструкция головки блока цилиндров ДВС позволяет получить оптимальную высоту головки блока цилиндров, что обеспечивает необходимую жесткость поверхности, формирующей газовый стык и надежное его уплотнение прокладкой головки цилиндров при повышенном более 60 бар рабочем давлении в цилиндрах, а также обеспечить оптимальный вес и габариты конструкции.