ГИЛЬЗА ЦИЛИНДРА ГЕРМЕТИЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ
SEALED ENGINE CYLINDER LINER

Изобретение относится к общей области двигателей внутреннего сгорания, которые содержат по меньшей мере один цилиндр и подвижный узел, состоящий из коленчатого вала, шатуна и поршня.
Более конкретно изобретение относится к гильзе цилиндра герметичного двигателя внутреннего сгорания.
Изобретение относится также к герметичному двигателю внутреннего сгорания, содержащему такую гильзу.
Изобретение относится также к автотранспортному средству, содержащему такой герметичный двигатель.
Известный из уровня техники герметичный двигатель внутреннего сгорания содержит цельнолитую головку блока цилиндров с блоком цилиндров, при этом головка блока цилиндров закрывает верхнюю часть этого блока цилиндров. Часть, относящаяся к головке блока цилиндров, содержит отверстие для размещения электрической свечи, гнездо для форсунки и клапанные седла. Часть, относящаяся к самому блоку цилиндра, содержит по меньшей мере один цилиндр, имеющий расточное отверстие, в котором перемещается поршень. Вокруг этого цилиндра расположены контур охлаждения, в котором циркулирует охлаждающая жидкость, и контур впуска воздуха для подачи через каналы, выполненные в гильзе, холодного воздуха в камеру сгорания, находящуюся в верхней части расточного отверстия.
В таком герметичном двигателе каждый цилиндр содержит цилиндрическую камеру сгорания, в которой установлена гильза, в частности, посредством плотной посадки. Эта гильза удерживается зафиксированной в этой цилиндрической камере, будучи сжатой таким образом, чтобы создавать контактное давление, необходимое для обеспечения герметичности по отношению к газам, опираясь при этом на верхний конец этой камеры, называемый также потолком цилиндрической камеры или жаровой стороной камеры сгорания.
Однако в таком герметичном двигателе, оснащенном гильзой, расположенной в этой конфигурации в цилиндрической камере каждого цилиндра, герметичность по отношению к газам часто является недостаточной при всех условиях работы двигателя. Действительно, во время работы двигателя гильза подвергается значительным усилиям сжатия, что приводит к изменению контактного давления, которое становится недостаточным для обеспечения такой герметичности по отношению к газам. Кроме того, во время работы двигателя тепловые расширения между блоком цилиндров и гильзой приводят к изменению усилия прижатия гильзы и, следовательно, к уменьшению контактного давления, которое становится недостаточным, чтобы обеспечивать такую герметичность по отношению к газам.
Задачей изобретения является устранение таких недостатков известных герметичных двигателей.
В связи с этим объектом изобретения является гильза цилиндра герметичного двигателя, расположенная в цилиндрической камере двигателя, при этом гильза имеет верхнюю сторону, содержащую по меньшей мере один уплотнительный газонепроницаемый элемент, при этом указанный уплотнительный элемент выполнен с возможностью опираться на потолок цилиндрической камеры.
В других вариантах осуществления:
- уплотнительный элемент представляет собой прилив, выполненный в верхней стороне, или деталь, присоединенную к указанной верхней стороне;
- уплотнительный элемент расположен вблизи внутреннего края указанной гильзы;
- верхняя сторона содержит зону уменьшения объема, заключенного между указанной верхней стороной и потолком цилиндрической камеры, при этом зона уменьшения образована между уплотнительным элементом и наружным краем верхней стороны;
- уплотнительный элемент содержит две стенки, образующие между собой острый угол;
- уплотнительный элемент содержит две стенки, соединенные между собой на своем первом конце опорной зоной, имеющей, в частности, закругленную форму, и
- гильза представляет собой деталь, присоединенную к указанному двигателю.
Объектом изобретения является также герметичный двигатель, содержащий часть, относящуюся к головке блока цилиндров, и часть, относящуюся к самому блоку цилиндров, при этом двигатель оснащен по меньшей мере одной цилиндрической камерой, при этом каждая цилиндрическая камера содержит такую гильзу цилиндра.
Предпочтительно каждая цилиндрическая камера содержит потолок, образующий контактную поверхность, на которую может опираться по меньшей мере один уплотнительный элемент.
Объектом изобретения является также автотранспортное средство, содержащее такой герметичный двигатель.
Другие преимущества и отличительные признаки изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания предпочтительного варианта осуществления, представленного в качестве иллюстративного и не ограничительного примера со ссылками на следующие фигуры.
На фиг. 1 показан герметичный двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере одну гильзу цилиндра согласно варианту осуществления изобретения, вид в поперечном разрезе;
на фиг. 2 показана верхняя часть гильзы цилиндра, содержащая два уплотнительных газонепроницаемых элемента согласно варианту осуществления изобретения, вид в поперечном разрезе;
на фиг. 3 схематично показана часть цилиндрической камеры герметичного двигателя согласно варианту осуществления изобретения, вид в поперечном разрезе.
В дальнейшем тексте описания будет использована прямоугольная система координат с продольной осью х, то есть осью двигателя и/или коленчатого вала, с поперечной осью у и с вертикальной осью z, которая является параллельной по отношению к оси каждого цилиндра 31.
В варианте осуществления изобретения, представленном на фиг. 1, 2 и 3, герметичный двигатель 1 внутреннего сгорания является моноблочным двигателем 1. В частности, он содержит блок 12 двигателя, включающий в себя часть с головкой 10а блока цилиндров и часть с блоком 10b цилиндров, которые образуют вместе единую цельнолитую деталь. В этой конфигурации блок 10b цилиндров закрыт в верхней части головкой 10а блока цилиндров и в нижней части масляным картером. Следует отметить, что блок 12 двигателя выполнен из металлического материала, такого как алюминий или чугун.
Эта головка 10а блока цилиндров содержит по меньшей мере один выпускной канал, сообщающийся со сводом 13 камеры 14 сгорания (показан на фиг. 3), который образует по существу коническую полость. В головке 10а блока цилиндров установлен по меньшей мере один клапан 32, который закрывает доступ к выпускному каналу во время фазы выпуска газообразных продуктов сгорания. В частности, клапан 32 перемещается продольным движением вдоль наклонной оси в зависимости от условий сгорания в двигателе 1. Головка 10а блока цилиндров может также содержать устройства впрыска и поджига.
Блок 10b цилиндров содержит по меньшей мере один вертикальный цилиндр 31, при этом указанный цилиндр 31 содержит цилиндрическую камеру 6. Эта цилиндрическая камера 6 может сообщаться на уровне своего верхнего конца, называемого также потолком 22 цилиндрической камеры 6, с полостью свода 13 камеры 6 в головке 10а блока цилиндров и на уровне своего нижнего конца с расположенной по существу горизонтально шатунной камерой 15 (показана на фиг. 1). Цилиндрическая камера 6 выполнена посредством литья с возможностью размещения в ней по существу трубчатой гильзы 2 цилиндра. В шатунной камере 15 находится коленчатый вал 16, соединенный с нижними концами шатунов при помощи поворотных соединений. Верхние концы шатунов соединены с поршнем, который перемещается скольжением во внутреннем отверстии 17 гильзы 2, совершая возвратно-поступательные движения. Коленчатый вал 16 установлен на опорах, закрепленных на блоке цилиндров 31 при помощи пары опорных подшипников и крышек подшипников, окружающих указанный коленчатый вал 16 и расположенных поперечно относительно оси вращения коленчатого вала 16.
Гильза 2 цилиндра является деталью, присоединенной к блоку 12 двигателя. Эта гильза 2 имеет вид цилиндрической трубы и выполнена из металлического материала, такого как чугун, сталь или алюминий. Необходимо отметить, что гильза 2 может быть выполнена из материала, отличного от материала блока 12 двигателя.
Эта гильза 2 содержит внутреннее расточное отверстие 17, в котором перемещается скольжением поршень. Такая гильза 2 имеет наружный диаметр, меньший или равный диаметру цилиндрической камеры 6 цилиндра 31, при этом диаметр ее расточного отверстия 17 по существу превышает диаметр поршня, а ее длина равна или превышает длину цилиндрической камеры 6.
Эта гильза 2 содержит стенку 18, имеющую внутреннюю и наружную стороны 19а, 19b, а также верхнюю сторону 20а, которая соединяет межу собой внутреннюю и наружную стороны 19а, 19b.
Верхняя сторона 20а гильзы 2 содержит по меньшей мере один уплотнительный газонепроницаемый элемент 3а, 3b, 3с, который обеспечивает, в частности, герметичность между гильзой 2 и блоком 12 двигателя. Кроме того, этот уплотнительный элемент 3а, 3b, 3с позволяет повысить контактное давление и минимизировать усилие сжатия гильзы 2 во время работы двигателя 1. Как показано на фиг. 3, гильза 2 может содержать единственный уплотнительный элемент 3с, а на фиг. 2 она может содержать несколько таких элементов, в данном случае она содержит два уплотнительных элемента 3а, 3b.
Каждый уплотнительный элемент 3а, 3b, 3с может быть выполнен в виде прилива или выступа на верхней стороне 20а гильзы 2. В этом случае этот уплотнительный элемент 3а, 3b, 3с выполнен из такого же металлического материала, что и гильза 2.
В альтернативном варианте каждый элемент 3а, 3b, 3с может представлять собой деталь, присоединенную к указанной верхней стороне 20а и закрепленную, например, разъемно на этой верхней стороне или просто установленную на этой стороне 20а, располагаясь между блоком 12 двигателя и гильзой 2, когда последняя установлена в цилиндрической камере 6. В этом случае этот уплотнительный элемент 3а, 3b, 3с выполнен из того же материала, что и гильза 2 или блок 12 двигателя или же из материала, отличного от материала гильзы 2 и блока 12 двигателя.
Показанный на фиг. 2 и 3 уплотнительный элемент 3а, 3b, 3с имеет поперечное сечение (по оси у) общей треугольной формы и продольное сечение (по оси х) круглой формы. Этот элемент 3а, 3b, 3с содержит две стенки 7а, 7b, соединенные между собой на своем первом конце опорной зоной 8, образующей вершину этого уплотнительного элемента 3а, 3b, 3с. Второй конец каждой из этих стенок 7а, 7b образует с по существу плоской частью наружной стороны 20а две соединительные зоны 9, образующие основание этого уплотнительного элемента 3а, 3b, 3с.
Опорная зона 8 и соединительные зоны 9 могут иметь закругленную форму. В частности, опорная зона 8 может иметь радиус кривизны, составляющий примерно от 95 до 150 мкм и предпочтительно 100 мкм. Что касается каждой соединительной зоны 9, то она может иметь радиус кривизны, составляющий примерно от 150 до 250 мкм и предпочтительно 200 мкм.
Эти две стенки 7а, 7b образуют острый угол α, составляющий примерно от 10 до 80 градусов и предпочтительно 30 градусов.
Уплотнительный элемент 3а, 3b, 3с имеет также высоту h (показанную на фиг. 2) относительно верхней стороны 20а, составляющую примерно от 450 до 550 мкм и предпочтительно 500 мкм.
В этой конфигурации уплотнительный элемент 3а, 3b, 3с расположен на уровне верхней стороны 20а, предпочтительно вблизи внутреннего края 21а гильзы 2, соединяющего внутреннюю сторону 19а с верхней стороной 20а стенки 18 гильзы 2. Этот уплотнительный элемент 3а, 3b, 3с может, например, находиться на расстоянии d1, d3 от внутреннего края 21, которое составляет примерно от 750 до 850 мкм и предпочтительно 800 мкм от этого внутреннего края 21а.
Как показано на фиг. 2, гильза 2 может содержать два уплотнительных элемента 3а, 3b. В этих условиях первый уплотнительный элемент 3а может быть расположен на расстоянии d2 от второго уплотнительного элемента 3b. Это расстояние d2 может составлять примерно от 950 до 1050 мкм и предпочтительно 1000 мкм.
Следует отметить, что определение этих различных размеров уплотнительного элемента 3а, 3b, 3с позволяет минимизировать сплющивание между ним и контактной поверхностью 23, которая образована в потолке 22 цилиндрической камеры 6 и на которую он опирается, когда гильза 2 установлена в цилиндрической камере 6.
Гильза 2 содержит также наружный край 21b, соединяющий верхнюю сторону 20а с наружной стороной 19b стенки 18 гильзы 2. Эта верхняя сторона 20а содержит часть, заключенную между уплотнительным элементом 3а, 3b, 3с и наружным краем 21b. Эта часть верхней стороны 20а содержит зону 24 уменьшения объема 25, называемого «мертвым объемом» и заключенного между верхней стороной 20а и потолком 22 цилиндрической камеры 6. Эта зона 24 уменьшения объема 25 имеет поперечное сечение, особая форма которого позволяет уменьшить этот объем 25. В этой конфигурации промежуток d4 между этой зоной 24 уменьшения и потолком 22 цилиндрической камеры 6 уменьшен до минимума на уровне наружного края 21b гильзы 2. На этом уровне этот промежуток d4 составляет примерно от 200 до 300 мкм и предпочтительно 200 мкм после установки гильзы на место.
Следует отметить, что на уровне наружного края 21b потолок 22 цилиндрической камеры 6 может содержать полость, называемую также “undercut”, которая образует объем, уменьшенный этой зоной 24 уменьшения. Действительно, часть зоны 24 уменьшения, расположенная напротив этой полости, имеет форму, по существу соответствующую форме этой полости. Такая зона 24 уменьшения позволяет уменьшить возможную утечку газов в сторону тороидальной уплотнительной прокладки 28, расположенной на наружной стороне 19b стенки 18 гильзы 2. Эта тороидальная уплотнительная прокладка 28 будет описана ниже.
Как было указано выше, стенка 18 гильзы 2 содержит внутреннюю и наружную стороны 19а, 19b. Внутренняя сторона 19а этой стенки 18 определяет периметр внутреннего расточного отверстия 17 гильзы 2. Наружная сторона 19b содержит выступающие зоны 29, в каждой из которых выполнен кольцевой паз с возможностью установки в нем тороидальной прокладки 28 из эластомерного материала, диаметр которой превышает глубины указанного кольцевого паза. Эта наружная сторона 19b содержит также выполненные между этими выступающими зонами 29 первую и вторую кольцевые выемки 26а, 26b.
Первая кольцевая выемка 26а предназначена для прохождения охлаждающей жидкости. В этой конфигурации внутренняя стенка 27 цилиндрической камеры 6 образует стенку для первой выемки 26а. В этих условиях тороидальные прокладки 28 прижимаются к этой внутренней стенке 27 цилиндрической камеры 6 и, следовательно, обеспечивают герметичность этой первой выемки 26а. Таким образом, внутренняя стенка 27 и первая выемка 26а образуют кольцевую и герметичную камеру 4 для охлаждающей жидкости. Эта камера 4 для жидкости позволяет охлаждающей жидкости, поступающей из контура охлаждения двигателя 1, циркулировать вокруг гильзы 2. Эта охлаждающая жидкость попадает в эту камеру 4 для жидкости через входное отверстие, выполненное в стенке 27 цилиндрической камеры 6, и может выходить затем из нее через выходное отверстие, находящееся тоже в этой стенке 27. Следует отметить, что в первой выемке 26а можно установить элемент для направления потока охлаждающей жидкости.
Вторая кольцевая выемка 26b, отделенная от первой выемки 26а выступающей зоной 29, может находиться на половине высоты или в нижней части наружной стороны 19b гильзы 2. Вторая выемка 26b содержит дно, имеющее по меньшей мере одно отверстие, сообщающееся с расточным отверстием 17 и предпочтительно выполненное в верхней зоне второй выемки 26b. Это отверстие выполнено, таким образом, в дне этой второй выемки 26b, чтобы обеспечивать прохождение свежего воздуха, предназначенного для питания камеры 14 сгорания, в расточное отверстие 17. Это отверстие находится по существу на половине высоты в стенке 17 гильзы 2. В этой конфигурации внутренняя стенка 27 цилиндрической камеры 6 образует стенку для второй выемки 26b. В этих условиях тороидальные прокладки 28 прижимаются к этой внутренней стенке 27 цилиндрической камеры 6 и, следовательно, обеспечивают герметичность этой второй выемки 26b. Таким образом, внутренняя стенка 27 и вторая выемка 26b образуют кольцевую и герметичную воздушную камеру 5, если не считать отверстия, выполненного в дне этой второй выемки 26b. Эта воздушная камера 5 позволяет свежему воздуху, поступающему из контура впуска воздуха, заходить через входное воздушное отверстие и выходить затем в камеру 14 сгорания через отверстие, выполненное для этой цели в стенке 18 гильзы 2.
Как было указано выше, в этом герметичном двигателе 1 гильза является присоединенной деталью, которую во время изготовления двигателя 1 вставляют в цилиндрическую камеру 6 снизу двигателя 1 до потолка 22 указанной камеры 6, пока она не придет в положение опоры на контактную поверхность 23 через по меньшей мере один уплотнительный элемент 3а, 3b, 3с. Эта гильза 2 может удерживаться неподвижно упором, который является металлической деталью, имеющей по существу форму параллелепипеда и содержащей отверстие, через которое проходит винт для захождения в резьбовое отверстие, выполненное в стенке шатунной камеры 15, при этом резьбовое отверстие предпочтительно находится вблизи цилиндрической камеры 6 цилиндра 2. Эта металлическая деталь действует усилием на гильзу 2, которое удерживает, таким образом, уплотнительный элемент 3а, 3b, 3с в положении опоры на контактную поверхность 23 потолка 22 цилиндрической камеры 6.
Таким образом, гильза 2 оказывается зажатой в положении «сэндвича» между металлической деталью и блоком 12 двигателя, чтобы обеспечивать контактное давление, соответствующее герметичности по отношению к газам. В этой конфигурации герметичность по отношению к газам обеспечивается также между камерой 14 сгорания и камерой 4 для жидкости, при этом контактные давления на уровне границы между уплотнительным элементом 3а, 3b, 3с и контактной поверхностью 23 превышают максимальное давления камеры сгорания.
Следует отметить, что двигатель 1 может содержать пружину 30 для компенсации тепловых расширений, расположенную в шатунной камере 15 и взаимодействующую с металлической деталью для создания такого усилия на гильзу 2.
Предпочтительно уплотнительный элемент 3а, 3b, 3с выполнен с возможностью применения в двигателях 1, в частности, в герметичных двигателях 1, в которых блок 12 двигателя и каждая гильза 2 выполнены из разных металлических материалов. Действительно, этот уплотнительный элемент 3а, 3b, 3с рассчитан по своей конструкции и по своим размерам таким образом, чтобы учитывать дифференциальные тепловые расширения между блоком 12 двигателя, который может быть выполнен из алюминия, и гильзой 2 из чугуна. Такой уплотнительный элемент 3а, 3b, 3с позволяет, таким образом, компенсировать потерю контактного давления в фазе запуска двигателя 1.
Кроме этого, этот уплотнительный элемент 3а, 3b, 3с обеспечивает достаточное контактное давление между гильзой 2 и блоком 12 двигателя во всех условиях работы двигателя 1. В частности, он может противостоять усилию сжатия гильзы 2 во время различных фаз работы двигателя 1.
Кроме того, можно отметить, что уплотнительный элемент 3а, 3b, 3с имеет небольшой габарит относительно объема цилиндрической камеры 6 и не создает никаких трудностей в плане изготовления гильзы 2 и монтажа гильзы 2 в цилиндрической камере 6.
Настоящее изобретение не ограничивается описанным выше вариантом осуществления и может включать в себя различные версии и обобщения, раскрытые в нижеследующей формуле изобретения.