ДИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С КАМЕРАМИ СГОРАНИЯ ДЛЯ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ
DIESEL ICE WITH COMBUSTION CHAMBERS FOR HIGH IGNITION TEMPERATURES

Предметом изобретения является дизельный двигатель внутреннего сгорания с камерами сгорания для высоких давлений воспламенения согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
В обычных в настоящее время автомобильных двигателях, в частности двигателях для грузовых автомобилей, в качестве примера которых можно привести двигатель согласно RU 2095584, используются давления воспламенения, которые уже ставят высокие требования к герметизации камер сгорания и которые подвергают ограничивающие камеру сгорания компоненты, в частности головку цилиндра, большим тепловым и механическим нагрузкам. Вследствие этих больших нагрузок часто охлаждающее действие, которое может быть обеспечено через охлаждающие каналы в головке цилиндра на крышке камеры сгорания, может быть недостаточным для охлаждения, в частности, в зонах между клапанами. В результате могут возникать так называемые перемычечные трещины между клапанными отверстиями в головке цилиндра, которые разрушают головку цилиндра и тем самым двигатель.
Параллельно этой существующей проблеме, для достижения требуемых в будущем параметров отработавших газов, с одной стороны, и постоянно увеличивающихся требований к мощности двигателей внутреннего сгорания при одновременном снижении массы, с другой стороны, необходимо увеличивать давления воспламенения до порядка 300 бар, что означает почти удвоение по сравнению с обычными сегодня стандартами. Такие требования при приемлемых затратах относительно применяемых материалов с обычными сегодня конструкциями двигателей не выполнимы.
Исходя из уровня техники, задачей изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания, который при приемлемых конструктивных затратах выдерживает очень высокие давления воспламенения.
Эта задача решена с помощью отличительных признаков пункта 1 формулы изобретения, предпочтительные варианты выполнения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение исходит из того, что обычная в настоящее время герметизация камеры сгорания с помощью нижней стороны головки цилиндра в будущих двигателях с сильно повышенными давлениями воспламенения должна осуществляться с помощью отдельной детали. При этом речь идет о расположенной между камерой сгорания и головкой цилиндра, образующей закрывающую поверхность камеры сгорания, отдельной, соединенной с геометрическим замыканием и герметично с картером и/или гильзой цилиндра охлаждаемой плите, в которой расположены клапанные седла, по меньшей мере, одного впускного клапана и, по меньшей мере, одного выпускного клапана, и через которую проходит, по меньшей мере, одна клапанная форсунка. Преимущество такой детали состоит, с одной стороны, в том, что соединение с геометрическим замыканием охлаждаемой плиты с картером и/или с гильзой цилиндра может осуществляться непосредственно на границе камеры сгорания, за счет чего прогибание под действием давления уже на основании значительно меньших расстояний между опорами по сравнению с обычными сегодня головками цилиндров можно значительно уменьшить, с другой стороны, применение этой отдельной от картера, головки цилиндра и при необходимости гильзы цилиндра детали открывает совершенно новые возможности относительно выбора материала. При этом охлаждение охлаждаемой плиты происходит с помощью предусмотренной для охлаждения картера и головки цилиндра охлаждающей среды или соответственно охлаждающего средства, так что охлаждаемую плиту можно предпочтительно интегрировать в существующую систему охлаждения.
Другое преимущество охлаждаемой плиты согласно изобретению заключается в том, что за счет лучшей доступности для механической обработки в охлаждаемой плите можно выполнять каналы охлаждения, которые по сравнению с обычными головками цилиндров обеспечивают значительно лучшее охлаждение крышки камеры сгорания и клапанных седел. При этом каналы охлаждения можно предпочтительно выполнять в виде исходящих от периферийной стороны отверстий, которые предпочтительно проходят в охлаждаемой плите так, что они пересекаются с другими отверстиями и тем самым образуют соединенную систему отверстий. При этом, по меньшей мере, часть отверстий в направлении периферической стороны снова закрывается для предпочтительного упрощения притока и оттока охлаждающей среды.
При этом снабжение охлаждаемой плиты охлаждающим средством можно осуществлять простым и тем самым предпочтительным образом за счет того, что на периферийной стороне и/или в выступающей краевой области образующей закрывающую поверхность камеры сгорания плоской стороне охлаждаемой плиты и/или в противолежащей закрывающей поверхности плоской стороне охлаждаемой плиты предусмотрены подводящие отверстия и/или отводящие отверстия, и снабжение охлаждаемой плиты охлаждающим средством происходит непосредственно и/или через картер, и/или через головку цилиндра. Тем самым появляется возможность оптимального согласования потока охлаждающего средства с соответствующими конструктивными особенностями.
Охлаждаемая плита согласно изобретению применима как в камерах сгорания без гильзы, так и в камерах сгорания, которые имеют гильзу в отверстии для цилиндра. При применении гильзы особенно предпочтительно использовать гильзу, которая имеет заплечик, который опирается на верхнюю кромку для цилиндра или на окружной выступ в отверстии для цилиндра.
Кроме того, для снабжения охлаждаемой плиты охлаждающим средством предпочтительно выполнять подводящие и отводящие отверстия в охлаждаемой плите в виде просверленных отверстий, которые связаны с соответствующими отверстиями в головке цилиндра или в заплечике гильзы, или в картере, или в отдельной распределительной трубе охлаждающего средства и соединяют охлаждающие каналы в охлаждаемой плите с пространствами для охлаждающего средства в головке цилиндра, картере или с отдельной распределительной трубой для охлаждающего средства. Для этого в каждой зоне перехода могут быть предусмотрены уплотнения, которые предотвращают выход охлаждающего средства.
За счет независимого от картера и головки цилиндра отдельного выполнения охлаждаемой плиты предпочтительно открывается возможность свободного выбора материалов, так что для охлаждаемой плиты можно использовать высокопрочные металлические сплавы, применение которых для головки цилиндра или картера невозможно по соображениям стоимости или же по конструктивным причинам. Свобода выбора материала открывает также возможность наряду с вариантом охлаждаемой плиты с установленными кольцами клапанных седел реализовать охлаждаемую плиту, в которой клапанные седла предпочтительно включены в выполненную как единое целое охлаждаемую плиту.
Кроме того, для герметизации камеры сгорания предпочтительно снабжать охлаждаемую плиту имеющим форму цилиндра буртиком, наружный диаметр которого по существу соответствует внутреннему диаметру камеры сгорания, при этом имеющий форму цилиндра буртик в смонтированном состоянии лежит внутри отверстия для цилиндра или соответственно гильзы цилиндра, так что охлаждаемая плита охватывает в виде уголка верхнюю кромку камеры сгорания. При этом для обеспечения герметизации особенно предпочтительно диаметр цилиндрического буртика выбирается так, что между ним и диаметром камеры сгорания образуется прессовая посадка. Кроме того, для герметизации камеры сгорания предпочтительно предусмотреть уплотнение между перекрывающей камеру сгорания, в частности, кромку камеры сгорания, частью охлаждаемой плиты и картером или соответственно заплечиком гильзы.
Соединение охлаждаемой плиты с картером или соответственно, если имеется, заплечиком гильзы цилиндра предпочтительно осуществляется с помощью винтов, при этом винты предпочтительно расположены максимально близко к кромке камеры сгорания для минимизации прогибания охлаждаемой плиты во время процессов воспламенения. В качестве альтернативного решения такому виду крепления в камерах сгорания, имеющих гильзу, можно с помощью внутренней резьбы на верхней кромке гильзы и наружной резьбы на периферии цилиндрического буртика свинчивать охлаждаемую плиту с гильзой, так что соединение между гильзой и охлаждаемой плитой осуществляется особенно предпочтительно непосредственно на кромке камеры сгорания. Другая простая и тем самым предпочтительная возможность соединения охлаждаемой плиты с гильзой состоит в сварке друг с другом этих обеих деталей.
Для повышения коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания и/или уменьшения износа клапанных седел можно снабжать охлаждаемую плиту на ее обращенной к камере сгорания стороне покрытием с небольшой теплопроводностью и/или высокой износостойкостью, при этом покрытие с небольшой теплопроводностью минимизирует потери тепла газа камеры сгорания и тем самым предпочтительно повышает коэффициент полезного действия, а снижающее износ покрытие на клапанных седлах положительно сказывается на их сроке службы.
Для создания в охлаждаемой плите в разных плоскостях различных свойств материала можно выполнять охлаждаемую плиту в виде набора слоев из параллельных пластин с различными свойствами материала, при этом, по меньшей мере, одна из находящихся внутри параллельных пластин имеет выемки, соединенные с охлаждающей системой двигателя внутреннего сгорания. За счет конструкции из пакета параллельных пластин можно особенно просто и тем самым предпочтительно создавать как охлаждающие каналы, так и подводы или соответственно отводы охлаждающего средства, например, посредством вырубки с помощью штампа в одной или нескольких параллельных пластинах. Для повышения прочности соединения при изгибе предусмотрено соединение друг с другом смежных пластин пакета.
Головка цилиндра, которая примыкает к охлаждаемой плите на обращенной от камеры сгорания стороне, может быть выполнена в виде соответствующей каждому цилиндру отдельной головки цилиндра или же в виде соответствующей нескольким или всем цилиндрам головки цилиндра и содержит наряду с газообменными каналами, по меньшей мере, одну клапанную форсунку, а также направляющие для впускных и выпускных клапанов. Для дополнительной минимизации прогибания охлаждаемой плиты во время процессов воспламенения головка цилиндра предпочтительно выполнена так, что она оказывает давление на охлаждаемую плиту, по меньшей мере, в зоне ее центра. Для обеспечения возможно большей прочности на изгиб головки цилиндра предпочтительно предусмотрены разделяющие пространства для охлаждающей среды и проходящие, по меньшей мере, перпендикулярно плоской стороне охлаждаемой плиты перегородки, которые передают возникающие, в частности, в центре охлаждаемой плиты силы в крепления головки цилиндра в картере. За счет применения охлаждаемой плиты согласно изобретению открываются также возможности выбора материала головки цилиндра, которые отсутствуют в обычных двигателях внутреннего сгорания для грузовых автомобилей по технологическим причинам, так, например, для головки цилиндра можно применять легкие металлические сплавы, которые предпочтительно уменьшают массу и имеют значительно лучшие свойства относительно переноса тепла.
Для управления и приведения в действие газообменных клапанов и клапанных форсунок предусмотрен проходящий через несколько цилиндров, предпочтительно через все цилиндры рядного двигателя или через все цилиндры одного ряда цилиндров V-образного двигателя управляющий и исполнительный модуль, который содержит, по меньшей мере, один распределительный вал и устройства приведения в действие для газообменных клапанов и окружает устройства для приведения в действие клапанных форсунок. Управляющий и исполнительный модуль соединен с контуром смазывающего средства и имеет крышку корпуса, через которую обеспечивается доступ к приводным устройствам для газообменных клапанов и клапанных форсунок. Также в отношении закрепленного с помощью разъемных соединений на головке цилиндра или соответственно головках цилиндров управляющего и исполнительного модуля за счет отделенной от головки цилиндра конструкции открываются новые возможности для выбора материала. Выполнение полностью или, по меньшей мере, частично из пластмассы обеспечивает предпочтительное уменьшение массы и упрощает изготовление в виде части, отлитой под давлением. В управляющий и исполнительный модуль может быть предпочтительно интегрирована общая для всех камер сгорания или соответственно всех камер сгорания одного ряда цилиндров труба надувочного воздуха.
Ниже приводится подробное описание системы согласно изобретению со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - фрагмент разреза камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания;
фиг.2 - камера сгорания согласно фиг.1, на виде сбоку снаружи;
фиг.3 - камера сгорания согласно фиг.1, на виде сверху снаружи;
фиг.4 - разрез камеры сгорания по линии В-В;
фиг.5 - разрез закрывающей сверху камеру сгорания охлаждаемой плиты по линии С-С;
фиг.6 - первое представление соединения между охлаждаемой плитой и гильзой в увеличенном масштабе;
фиг.7 - второе представление соединения между охлаждаемой плитой и гильзой в увеличенном масштабе;
фиг.8 - третье представление соединения между охлаждаемой плитой и гильзой в увеличенном масштабе;
фиг.9 - представление соединения для охлаждающего средства между картером и охлаждаемой плитой, в увеличенном масштабе;
фиг.10 - второе представление соединения для охлаждающего средства между картером и охлаждаемой плитой, в увеличенном масштабе;
фиг.11 - представление соединения для охлаждающего средства между головкой цилиндра и охлаждаемой плитой, в увеличенном масштабе;
фиг.12 - разрез камеры сгорания по линии D-D;
фиг.13 - разрез камеры сгорания по линии Е-Е;
фиг.14 - разрез по линии F-F камеры сгорания с охлаждаемой плитой с нанесенным покрытием;
фиг.15 - разрез по линии G-G охлаждаемой плиты со слоистой конструкцией;
фиг.16 - разрез по линии Н-Н охлаждаемой плиты со слоистой конструкцией;
фиг.17 - камера сгорания согласно фиг.1 с установленным сверху управляющим и исполнительным модулем.
Концепция двигателя внутреннего сгорания для высоких давлений воспламенения исходит из основной идеи, что герметизация камеры сгорания функционально должна быть отделена от головки цилиндра с целью создания более благоприятных геометрических соотношений для герметизации и с целью открытия новых возможностей относительно выбора применяемых материалов. Поэтому предлагается самостоятельная деталь, которая лежит между камерой сгорания и головкой цилиндра и единственная функция которой состоит в завершении и герметизации камеры сгорания относительно головки цилиндра. Камера сгорания, выполненная в соответствии с указанной выше концепцией, схематично показана в разрезе на фиг.1, при этом положение плоскости разреза показано на фиг.3 и обозначено позицией А-А.
На фиг.1 показана камера сгорания двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением, которая состоит из гильзы 2 цилиндра, поршня 3 и охлаждаемой плиты 4. Гильза 2 цилиндра расположена известным образом в картере 5 и в зоне камеры сгорания 1 окружена проводящими охлаждающее средство пространствами 6 для охлаждения стенок камеры сгорания. Поршень 3 воздействует через шатун 7 на коленчатый вал 8, который установлен в подшипниках в картере 5 (не изображен).
Сверху камера 1 сгорания закрыта охлаждаемой плитой 4, которая имеет, по существу, наружный диаметр заплечика 9 гильзы, расположенного на обращенном к головке цилиндра конце гильзы 2 цилиндра. На охлаждаемой плите 4 со стороны камеры 1 сгорания расположен цилиндрический буртик 10, диаметр которого по существу соответствует внутреннему диаметру гильзы 2 цилиндра, так что охлаждаемая плита 4 охватывает в виде уголка обращенную к головке цилиндра кромку гильзы 2 цилиндра.
Внутри охлаждаемой плиты 2 расположены охлаждающие каналы 11, в которых циркулирует охлаждающее средство. Охлаждаемая плита 4 соединена с гильзой 2 цилиндра с геометрическим замыканием и герметично. Кроме того, в охлаждаемой плите 4 расположены клапанные седла (на фиг.1 не видны), которые взаимодействуют с клапанными тарелками 12 газообменных клапанов 13. Подача топлива осуществляется через отверстие 20, которое проходит через охлаждаемую плиту 4 в ее центре от обращенной от камеры 1 сгорания стороны в направлении камеры 1 сгорания, и в котором расположена клапанная форсунка (не изображена на фиг.1). Расположение форсунки в отверстии 20 выбрано так, что форсунка при необходимости с промежуточным слоем уплотнительного средства герметично закрывает камеру сгорания и выдается своим отверстием (не изображено) внутрь камеры сгорания. Форсунка удерживается в головке 14 цилиндра, которая на обращенной от камеры 1 сгорания стороне примыкает к охлаждаемой плите 4 и полностью покрывает ее своей обращенной к охлаждаемой плите 4 стороной или соответственно выступает за нее. Головка 14 цилиндра закреплена обычным образом винтами (не изображены), которые пронизывают головку 14 цилиндра в направлении картера 5 и закрепляются на картере 5. В головке 14 цилиндра расположены известным образом газовые каналы (не изображены) для всасываемого воздуха или соответственно газов сгорания, направляющие (не изображены) для стержней 15 газообменных клапанов 13 и пространство 16 для охлаждающего средства для охлаждения головки 14 цилиндра или соответственно его встроенных частей. С помощью проходящих перпендикулярно охлаждаемой плите 4 первых перегородок 17 и проходящих параллельно охлаждаемой плите 4 вторых перегородок 18 пространство в головке 14 цилиндра разделено на ячейки, которые, с одной стороны, за счет соединительных отверстий 21 обеспечивают целенаправленное прохождение охлаждающего средства и, с другой стороны, имеют большую жесткость, которая противодействует прогибанию охлаждаемой плиты 4 в фазе воспламенения.
Вид гильзы 2 цилиндра снаружи с установленной сверху охлаждаемой плитой 4 показан на фиг.2 на виде сбоку, а на фиг.3 - на виде сверху. Охлаждаемая плита 4 свинчена с заплечиком 9 гильзы с помощью винтов 19 и соответствует своим диаметром наружному диаметру заплечика 9 гильзы. За счет соединения заплечика 9 гильзы с охлаждаемой плитой 4 на границе камеры сгорания уменьшается до минимума возможное прогибание охлаждаемой плиты 4. В охлаждаемой плите 4, как показано уже на фиг.1, расположены газообменные клапаны 13 и отверстие 20 для клапанной форсунки.
Разрез камеры сгорания по линии В-В (фиг.3) показан на фиг.4. На этом изображении охлаждаемая плита 4 также соединена с заплечиком 9 гильзы 2 цилиндра с помощью винтов 19. В охлаждаемой плите 4, исходя от периферии охлаждаемой плиты 4, проходят охлаждающие каналы 11 к центру охлаждаемой плиты 4. Прохождение охлаждающих каналов 11 в охлаждаемой плите 4 показано в качестве примера на фиг.5. На фиг.5 показан разрез по линии С-С на фиг.2. Исходя от противоположных сторон периферии охлаждаемой плиты 4, проходят образующие соответствующие пары отверстия 11.1, 11.2, 11.5, 11.6 в направлении друг друга, при этом каждая пара отверстий образует «Х», т.е. отверстия одной пары отверстий пересекаются друг с другом. Расположение пар отверстий относительно расположения отверстий для газообменных клапанов 13, средние точки которых образуют по существу угловые точки квадрата, выбрано при этом так, что точка пересечения каждой пары отверстий лежит между смежными отверстиями для газообменных клапанов 13. Отверстия 11.1, 11.2, 11.5, 11.6 каждой пары отверстий снова расходятся от соответствующих точек пересечения при рассматривании в направлении центра охлаждаемой плиты 4 и пересекают отверстия соответствующей противолежащей пары отверстий на линии, проходящей через среднюю точку охлаждаемой плиты 4. В эти обе точки пересечения пар отверстий приходит соответствующее отдельное отверстие 11.3, 11.4, которое также исходит от периферии охлаждаемой плиты и проходит со сдвигом на 90° относительно Х-образных пар отверстий между двумя смежными отверстиями для газообменных клапанов 13. Образованная таким образом сеть соединенных отверстий 11.1-11.6 образует охлаждающие каналы 11, которые, как будет подробно описано ниже, могут быть различным образом соединены с охлаждающей системой двигателя внутреннего сгорания. За счет выбранного прохождения отверстий 11.1-11.6 достигается эффективное охлаждение критических зон между отверстиями для газообменных клапанов 13, а также между ними и отверстием 20 для форсунки, так что надежно предотвращаются так называемые перемычечные трещины.
Описанное выше применительно к фиг.1-5 винтовое соединение гильзы 2 цилиндра с охлаждаемой плитой 4 показано в разрезе на фиг.6 в увеличенном масштабе. Охлаждаемая плита 4 находится, закрывая камеру 1 сгорания в направлении головки 14 цилиндра (не изображена на фиг.6), в зоне заплечика 9 на гильзе 2 цилиндра и охватывает внутреннюю кромку заплечика 9 гильзы в виде уголка. Через сквозное отверстие 22 винт 19 взаимодействует с соответствующей резьбой 23 в заплечике 9 гильзы и прижимает охлаждаемую плиту 9 к заплечику 9 гильзы. Для герметизации камеры 1 сгорания диаметр цилиндрического выступа 10 охлаждаемой плиты 4 в соединении с внутренним диаметром гильзы 2 цилиндра может быть выполнен так, что имеется прессовая посадка. Дополнительно к этому или в качестве альтернативного решения можно, естественно, предусмотреть уплотнительное средство между заплечиком 9 гильзы и охлаждаемой плитой 4. Относительно применяемых винтов 19 возможны различные варианты выполнения головки винта, у показанных винтов 19 с выступающей головкой 19.1 винта предусмотрены соответствующие прорези в головке 14 цилиндра (смотри фиг.1). Если же применяются винты с потайной головкой, то смежная с охлаждаемой плитой 4 сторона головки 14 цилиндра может выполняться гладкой в зоне винтов 19. Винты 19 предпочтительно расположены на одинаковом расстоянии друг от друга вдоль периферии охлаждаемой плиты 4 или соответственно заплечика 9 гильзы.
В описанном применительно к фиг.1-6 примере камеры сгорания для высоких давлений воспламенения предусмотрена гильза 2 цилиндра в качестве части камеры сгорания, что, естественно, не является обязательным. Показанная на фигурах система, описание которой приведено выше, может быть, естественно, выполнена без гильзы цилиндра, в этом случае камера сгорания может быть образована отверстием для цилиндра, охлаждаемой плитой 4 и поршнем 3. В случае выполнения камеры сгорания без гильзы можно показанные на фиг.1-6 гильзу 2 цилиндра и заплечик 9 гильзы представить как интегральную (встраиваемую) часть картера 5, кроме этого относительно расположения и функций ничего не изменяется.
Другие возможности соединения охлаждаемой плиты 4 с заплечиком 9 гильзы 2 цилиндра показаны на фиг.7 и 8 в увеличенном масштабе. Согласно разрезу, показанному на фиг.7, соединение охлаждаемой плиты 4 с заплечиком 9 гильзы осуществляется с помощью сварки. Для этого предусмотрен сплошной или несколько раз прерывающийся по периферии, например, точечный сварной шов 24 вдоль наружной окружности стыка между охлаждаемой плитой 4 и заплечиком 9 гильзы. При этом точечное сварное соединение минимизирует перенос тепла и тем самым опасность деформации гильзы 2 цилиндра. Цилиндрический выступ 10 охлаждаемой плиты 4 может и в этом случае образовывать с внутренним диаметром заплечика 9 гильзы прессовую посадку, которая в случае прерывистого сварного шва выполняет функцию герметизации.
Разрез на фиг.8 показывает другую возможность винтового соединения охлаждаемой плиты 4 с заплечиком 9 гильзы, для этого на цилиндрическом буртике 10 охлаждаемой плиты 4 предусмотрена наружная резьба 25, которая взаимодействует с внутренней резьбой 26 на обращенной к головке цилиндра кромке заплечика 9 гильзы. За счет свинчивания охлаждаемой плиты 4 с заплечиком 9 гильзы посредством резьбового соединения 25, 26 осуществляется соединение между этими деталями в благоприятном для минимизации возможных прогибаний охлаждаемой плиты 4 геометрическом месте, а именно непосредственно на границе камеры сгорания. Кроме того, относительно герметизации камеры 1 сгорания резьбовое соединение 25, 26 действует в качестве лабиринтного уплотнения.
Естественно, что приведенные выше применительно к фиг.6-8 соединения между охлаждаемой плитой 4 и гильзой цилиндра являются лишь примерами, и что можно с помощью известных для специалистов в данной области техники средств реализовать много различных соединений между этими обеими деталями, в частности также между охлаждаемой плитой и картером при выполнении двигателя внутреннего сгорания без гильзы цилиндра.
Как указывалось уже выше при описании образующих охлаждающие каналы 11 отверстий 11.1-11.6, они соединены с охлаждающей системой двигателя внутреннего сгорания. Это соединение можно осуществлять различным образом. Некоторые возможности питания охлаждающих каналов 11 в охлаждаемой плите 4 охлаждающим средством или соответственно отвода охлаждающего средства из них примерно показаны на фиг.9-11.
При этом на фиг.9 показана в упрощенном виде уже известная система из охлаждаемой плиты 4 и гильзы 2 цилиндра. Гильза 2 цилиндра находится в отверстии для цилиндра в картере 5, при этом для охлаждения стенок камеры 1 сгорания выполнены направляющие охлаждающее средство пространства между картером 5 и гильзой 2 цилиндра. Охлаждаемая плита 4 имеет образующее охлаждающий канал 11 отверстие, которое проходит от периферической стороны 27 охлаждаемой плиты 4 радиально внутрь. На периферической стороне 27 охлаждающий канал 11 закрыт с помощью запрессованного шарика 28. Соединение охлаждающего канала 11 с охлаждающей системой двигателя внутреннего сгорания осуществляется через подводящее отверстие 29, которое проходит через заплечик 9 гильзы 2 цилиндра и находится на одной линии с соединительным отверстием 30 в прилегающей к заплечику 9 гильзы краевой зоне охлаждаемой плиты 4, при этом соединительное отверстие 30 оканчивается в охлаждающем канале 11. Естественно, что такие одинаковые подводящие отверстия и тем самым находящиеся на одной линии соединительные отверстия могут быть предусмотрены в нескольких местах охлаждаемой плиты 4 и взаимодействовать с соответствующими охлаждающими каналами для обеспечения эффективного охлаждения.
Другая возможность подвода охлаждающего средства из картера 5 в охлаждаемую плиту 4 схематично показана в разрезе на фиг.10. Здесь также показана уже описанная система из гильзы 2 цилиндра и охлаждаемой плиты 4. Эта система окружена, с одной стороны, картером 5, а, с другой стороны, расположенной на картере 5 головкой 14 цилиндра. В картере 5 проходит соединительный канал 31 от расположенного в картере 5 прохода 32 для охлаждающего средства до линии раздела между головкой 14 цилиндра и картером 5 и переходит оттуда в расположенный в головке 14 цилиндра соединительный канал 33, который в свою очередь через соединительное отверстие 34 оканчивается в расположенном аналогично примеру на фиг.9 в охлаждаемой плите 4 охлаждающем канале 11. Для герметизации перехода между картером 5 и головкой 14 цилиндра, с одной стороны, и головкой 14 цилиндра и охлаждаемой плитой 4, с другой стороны, предусмотрены уплотнительные средства 35. В этом случае также могут быть предусмотрены в нескольких местах подлежащей охлаждению плиты 4 аналогичные подводы охлаждающего средства.
Наконец, на фиг.11 схематично показано в разрезе снабжение охлаждаемой плиты 4 охлаждающим средством из головки 14 цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Показанная система содержит в этом случае также гильзу 2 цилиндра, с которой соединена охлаждаемая плита 4, как описано выше. Комбинация из гильзы 2 цилиндра и охлаждаемой плиты 4 установлена в отверстие для цилиндра в картере 5 так, что обращенная к головке цилиндра плоская сторона охлаждаемой плиты 4 находится на одной линии со смежной с головкой 14 цилиндра стороной картера 5. Для снабжения охлаждающим средством, между пространством 16 для охлаждающего средства и охлаждающим каналом 11 в охлаждаемой плите 4 создано соединение от расположенного в головке 14 цилиндра пространства 16 для охлаждающего средства через проходящее к охлаждаемой плите 4 соединительное отверстие 36, которое находится на одной линии с соединением 37 для охлаждающего средства в охлаждаемой плите 4. Исходящий из периферической стороны охлаждаемой плиты 4, выполненный в виде отверстия охлаждающий канал 11, также как в указанных выше примерах, закрыт запрессованным шариком 28 вблизи периферической стороны. Для герметизации места соединения между головкой 14 цилиндра и охлаждаемой плитой 4 вокруг присоединения 37 для охлаждающего средства расположено уплотнительное средство 35. Как уже указывалось выше применительно к примерам, показанным на фиг.9 и 10, могут быть предусмотрены также в примере, показанном на фиг.11, несколько одинаковых соединений между пространством 16 для охлаждающего средства в головке 14 цилиндра и охлаждающими каналами 11 в охлаждаемой плите 4.
Для указанных выше примеров, показанных на фиг.9-11, общим является то, что отвод охлаждающего средства от охлаждаемой плиты 4 в картер 5 или головку 14 цилиндра может быть, естественно, выполнен аналогично описанным в примерах подводам охлаждающего средства, так что от отдельного изображения отводов охлаждающего средства можно отказаться. Кроме того, естественно, можно применять в комбинации различные виды подвода или соответственно отвода охлаждающего средства при снабжении охлаждаемой плиты 4, для чего нет необходимости в отдельном представлении. Указанные выше принципы снабжения охлаждающим средством охлаждаемой плиты 4 пригодны, естественно, равным образом для двигателей внутреннего сгорания с гильзами цилиндров и для двигателей внутреннего сгорания без гильз цилиндров. В случае двигателей внутреннего сгорания без гильз необходимо лишь представить показанную в примерах на фиг.9-11 гильзу 2 цилиндра в качестве интегральной составной части картера 5, так что относительно этого аспекта нет также необходимости в отдельном показе и описании.
Ниже приводится подробное описание соединения охлаждаемой плиты 4 согласно фиг.5 с охлаждающей системой в системе согласно фиг.1, со ссылками на разрезы, показанные на фиг.12 и 13. При этом на фиг.12 показан разрез по линии D-D на фиг.5, а на фиг.13 - разрез по линии Е-Е на фиг.5. После того, как система была подробно описана со ссылками на фиг.1 и 5, ниже приводится подробное описание соединения между пространством 16 для охлаждающего средства в головке 14 цилиндра и образующими охлаждающие каналы 11 отверстиями 11.1-11.6.
На фиг.12 показано, исходя из первой камеры 16.1 для охлаждающего средства, которая является частью пространства 16 для охлаждающего средства в головке 14 цилиндра, подающее отверстие 38, которое соединяет первую камеру 16.1 для охлаждающего средства с отверстием 11.1 в охлаждаемой плите 4. Отверстие 11.1, которое закрыто в направлении узкой стороны охлаждаемой плиты 4 шариком 28, пересекается в точке Х с отверстием 11.2, ход которого вплоть до точки У показан в разрезе. В точке У отверстие 11.2 пересекается с отверстием 11.6, ход которого показан в правой половине фиг.12. Отверстие 11.6 пересекается в точке Z с отверстием 11.5 и на узкой стороне охлаждаемой плиты 4 закрыто запрессованным в отверстие 11.6 шариком 28. Через отводящее отверстие 39 выполнено соединение между отверстием 11.6 и второй камерой 16.2 для охлаждающего средства в головке 14 цилиндра, которая по потоку лежит за первой камерой 16.1 для охлаждающего средства и также является частью пространства 16 для охлаждающего средства.
Несколько другое, чем на фиг.12, прохождение отверстий показано на фиг.13 в разрезе по линии Е-Е на фиг.5. После идентичного с показанным на фиг.12 прохождением до точки У имеются отличия. В точке У отверстие 11.2 пересекается как с отверстием 11.6, так и с отверстием 11.3, ход которого показан в правой половине фиг.13. Отверстие 11.3 также закрыто вблизи периферической стороны шариком 28. Для отвода охлаждающего средства из охлаждаемой плиты 4 предусмотрено дополнительное отводящее отверстие 40, которое соединяет отверстие 11.3 с третьей камерой 16.3 для охлаждающего средства, которая также является частью пространства 16 для охлаждающего средства и находится по потоку за камерой 16.1 для охлаждающего средства.
Аналогично описанному со ссылками на фиг.12 и 13 соединению пространства 16 для охлаждающего средства с охлаждающими каналами 11 в охлаждаемой плите 4 можно представить также соединение остальных показанных на фиг.5 отверстий 11.2, 11.4, 11.5, так что можно отказаться от их показа, следует лишь отметить, что отверстия 11.1 и 11.2 представляют собой подводы для охлаждающего средства, а отверстия 11.3, 11.4 представляют собой отводы для охлаждающего средства, и в соответствии с этим осуществляется питание подводов для охлаждающего средства из частей пространства 16 в головке 14 цилиндра, которые по потоку находятся перед частями пространства 16 для охлаждающего средства, в которые возвращается охлаждающее средство из отводов.
Относительно выполнения описанной со ссылками на фиг.1, 5, 12, 13 системы следует отметить, что соединения 21 между отдельными частями пространства 16 для охлаждающего средства (смотри фиг.1) и соединения между пространством 16 для охлаждающего средства и охлаждающими каналами 11 выполнены так, что обеспечивается в соответствии с тепловой нагрузкой охлаждаемой плиты 4 и головки 14 цилиндра прогрессивный отвод тепла, при этом тепловая нагрузка и тем самым также отвод тепла на границе камеры сгорания является максимальным и снижается при увеличении расстояния от камеры сгорания.
Кроме того, к описанному применительно к фиг.1, 5, 12, 13 примеру следует отметить, что соединение охлаждаемой плиты 4 с заплечиком гильзы или соответственно с картером в двигателях внутреннего сгорания без гильз приводит к тому, что клапанные седла для газообменных клапанов 13 в смонтированном состоянии расположены в картере 5, а направляющие для клапанов расположены в головке 14 цилиндра. Из такого расположения вытекают повышенные требования к точности монтажа головки 14 цилиндра относительно картера 5. В частности, суммирующиеся допуски на изготовление приводят к тому, что, по меньшей мере, в двигателях большого объема для грузовых автомобилей не следует применять сплошные головки цилиндров, а лишь головки цилиндров для одного или двух цилиндров.
Для точного монтажа головки цилиндра относительно охлаждаемой плиты 4 или охлаждаемых плит 4, когда головка цилиндров охватывает несколько цилиндров, необходимы посадочные средства, например посадочные штифты.
Относительно выбора материала за счет отделения герметизации камеры сгорания от головки цилиндра открываются совершенно новые возможности. Охлаждаемая плита 4 может состоять из высокопрочного металлического сплава, например из высокопрочной кованой стали, которую нельзя применять по конструктивным, технологическим и финансовым причинам для обычных головок цилиндра. И наоборот, головку цилиндра из-за меньшей по сравнению с обычными головками цилиндров нагрузки можно изготавливать из более простых материалов, таких как, например, алюминий, которые наряду с преимуществами стоимости обеспечивают также преимущества снижения массы.
При подходящем выборе материалов можно клапанные седла газообменных клапанов 13 выполнять непосредственно в охлаждаемой плите, так что можно отказаться от запрессовки колец клапанных седел. За счет этого отпадают в обычном для настоящего времени двигателе с четырьмя клапанами не только четыре детали на каждый цилиндр, т.е. в шестицилиндровом двигателе 24 детали, но также исключаются, в частности, возникающие при запрессовке колец клапанных седел в обычных головках цилиндров напряжения. Эти напряжения, которые еще усиливаются за счет переноса тепла в процессе сгорания, способствуют в значительной степени образованию уже упоминавшихся перемычечных трещин.
Кроме того, отделение герметизации камеры сгорания от головки цилиндра обеспечивает и соответственно упрощает уменьшающие износ и/или повышающие коэффициент полезного действия мероприятия на крышке камеры сгорания.
Одно такое мероприятие показано на фиг.13 в частичном разрезе по линии F-F на фиг.3. Это изображение также исходит из свинченной с заплечиком 9 гильзы 2 цилиндра охлаждаемой плиты 4, при этом гильза 2 цилиндра, охлаждаемая плита 4 и поршень 3 (смотри фиг.1) образуют камеру 1 сгорания. Для того чтобы, с одной стороны, уменьшить обусловленный процессами сгорания перенос тепла в охлаждаемую плиту 4, а, с другой стороны, минимизировать вызываемый процессами закрывания клапанных тарелок на клапанных седлах 41 износ, предусмотрено снабжение закрывающей камеру 1 сгорания стороны охлаждаемой плиты 4 керамическим покрытием 42. Такие керамические покрытия можно наносить самыми различными методами, которые известны для специалистов в данной области техники. Естественно, возможны также другие, отличающиеся от керамических покрытия.
Для обеспечения различных свойств материала в различных плоскостях охлаждаемой плиты имеется возможность, как показано на фиг.15 в частичном разрезе по линии G-G на фиг.16, выполнять охлаждаемую плиту из набора слоев. При этом предусмотрен первый пакет из двух слоев 45, причем два слоя 45 состоят из металлических пластин, которые образуют жесткое на изгиб соединение и содержат как подводящие отверстия 43, так и отводящие отверстия 44, через которые охлаждающую жидкость можно подводить из головки 14 цилиндра или соответственно отводить в нее аналогично показанному, например, на фиг.11 примеру. К двум слоям 45 примыкает в направлении камеры 1 сгорания третий слой 46, который содержит углубления 47, например, в виде штампованных прорезей. Углубления 47 соответствуют подводящим отверстиям 43 и отводящим отверстиям 44 и образуют охлаждающие каналы охлаждаемой плиты 4. При выборе материала третьего слоя 46 можно ориентироваться на хорошую обрабатываемость, поскольку этот слой 46 из-за углублений 47 и без того вносит небольшой вклад в прочность на изгиб всего пакета. Четвертый в направлении камеры 1 сгорания слой 48 состоит также, как первые оба слоя 45 из материала с высокой прочностью на изгиб, в то время как пятый в направлении камеры сгорания слой 49 имеет высокую твердость и небольшую теплопроводность. В пятом слое 49 выполнены клапанные седла газообменных клапанов (не изображены на фиг.15). Соединение параллельных пластин 45, 46, 48, 49 друг с другом осуществляется в показанном примере с помощью сварных соединений 50 вдоль периферии параллельных пластин 45, 46, 48, 49, однако возможны также другие возможности соединения параллельных пластин в образующий охлаждаемую плиту пакет. Выполнение охлаждаемой плиты в виде штабеля параллельных пластин имеет наряду с возможностью реализации определенных свойств материалов в определенных плоскостях охлаждаемой плиты дополнительное преимущество, состоящее в том, что охлаждающие каналы даже сложной формы и с распределением в нескольких плоскостях охлаждаемой плиты можно создавать особенно простым образом, например, с помощью простой штамповки. Пример штампованных из слоя 46 каналов 11 для охлаждающего средства показан на фиг.16 в разрезе указанного слоя 46 по линии Н-Н на фиг.15. Как показано на фиг.16, каналы 11 для охлаждающего средства расположены на небольшом расстоянии от клапанных отверстий 51 в зоне клапанных перемычек 51.1 и оптимизируют охлаждающее действие в этой зоне. Наряду с указанной выше штамповкой каналов для охлаждающего средства их можно выполнять в параллельных пластинах в виде рельефных углублений.
Как указывалось выше, в частности, в связи с фиг.1, предусмотрены сплошная, общая для всех камер сгорания головка цилиндров или несколько, относящихся, по меньшей мере, к одной камере сгорания головок цилиндров, при этом головка или соответственно головки цилиндров содержат лишь газообменные каналы, охлаждающие каналы, направляющие для газообменных клапанов и гнезда для форсунок. Обычно расположенные в головке(ах) цилиндра при обычных конструкциях двигателей управляющие и исполнительные механизмы для газообменных клапанов, а также для форсунок, расположены, как показано на фиг.17 в разрезе по линии А-А на фиг.2, в управляющем и исполнительном модуле, который является общим для всех камер сгорания. Поскольку изображение на фиг.17 отличается от изображения на фиг.1 лишь управляющим и исполнительным модулем 52, который примыкает к головке 14 цилиндра на ее обращенной от камеры 1 сгорания стороне, ниже приводится описание лишь этих отличающихся частей. Другие части, обозначенные идентичными с фиг.1 позициями, описаны выше применительно к фиг.1.
Управляющий и исполнительный модуль 52 имеет общую для всех камер сгорания и тем самым также для всех головок 14 цилиндров опору 53, на которую в выполненной в виде ванны частичной зоне 54 опирается с возможностью вращения распределительный вал 55. Привод распределительного вала 55 осуществляется обычным образом через приводимую в действие от коленчатого вала 8, не изображенную передачу, при этом речь может идти о зубчатой передаче, цепи или зубчатом ремне. Распределительный вал 55 воздействует известным образом через кулачки 56 на роликовые коромысла 57, которые расположены с возможностью поворота на опирающейся на общую опору 53 оси 58 так, что кулачки 56 распределительного вала 55 воздействуют на обращенные к кулачкам концы 57.1 коромысел 57. Вследствие этой нагрузки обращенные к клапанам концы 57.2 роликовых коромысел 57 воздействуют через клапанные мостики 59 на газообменные клапаны 13 и открывают или соответственно закрывают с помощью клапанных тарелок 12 газообменные каналы (не изображены).
Снабжение камер сгорания топливом осуществляется через расположенные в головке 14 цилиндра клапанные форсунки 60, которые через трубные соединения (не изображены) соединены с устройством впрыска (не изображено). Устройство впрыска может быть, например, системой впрыска с общей топливной магистралью. Приведение в действие форсунок осуществляется с помощью электронного управления (не изображено) электрическим путем, как обычно в устройствах впрыска с общей топливной магистралью. Для снабжения мест смазки предусмотрено центральное отверстие 61 для смазывающего средства, которое снабжается из контура смазывающего средства двигателя внутреннего сгорания (не изображен) смазывающим средством и которое, в свою очередь, соединено непосредственно или опосредованно с местами смазки в управляющем и исполнительном модуле 52 через каналы для смазывающего средства (не изображены). Избыточное смазывающее средство накапливается в общей опоре 53 и направляется через отводящую трубку (не изображена) в масляную ванну двигателя внутреннего сгорания (не изображена).
Для закрывания расположенных на общей опоре 53 деталей предусмотрена крышка 62, которая свинчена с общей опорой 53 и закрывает внутреннее пространство управляющего и исполнительного модуля 52 относительно окружающей атмосферы. Крепление крышки 62 на общей опоре 53 осуществляется с помощью винтов (не изображены), общая опора 53, в свою очередь, закреплена с помощью винтов (не изображены) на головке 14 цилиндра или соответственно на головках 14 цилиндров.
Естественно, что приведенное выше описание механизмов для приведения в действие газообменных клапанов и форсунок служит лишь в качестве примера. Исполнительная система для газообменных клапанов может быть, естественно, электронно-управляемой системой, которая приводит в действие газообменные клапаны по отдельности через электрические или гидравлические исполнительные механизмы. Аналогичным образом, указанная система впрыска с общей топливной магистралью является лишь одним возможным вариантом выполнения, возможны также, естественно, система насос-форсунка или система насос-магистраль-форсунка.
Также в соединении с описанным выше управляющим и исполнительным модулем за счет отделения от головки цилиндра новые открываются возможности выбора материалов. Например, можно выполнять общую опору 53 из легкого металла или армированной волокном пластмассы в виде отлитой под давлением части, что наряду с преимуществами уменьшения массы обеспечивает также значительное упрощение изготовления.
Кроме того, в зависимости от применяемого для общей опоры материала или соответственно процесса изготовления можно выполнять за одно целое с ней также другие функциональные части. Так, например, можно интегрировать трубу для надувочного воздуха и/или трубы для охлаждающего средства для соединения головки цилиндра или соответственно головок цилиндров с охлаждающей системой двигателя внутреннего сгорания в общую опору.
Управляющий и исполнительный модуль 52, описание которого приведено выше со ссылками на фиг.17, естественно, не должен быть обязательно отделен от головки 14 цилиндра, функции управляющего и исполнительного модуля могут быть, естественно, при определенных условиях интегрированы в головку цилиндра. Так, например, при расположенном внизу распределительном валу и таким образом приводимыми в действие толкателями коромыслами и отдельными головками цилиндров предпочтительной является интеграция исполнительной системы для газообменных клапанов в головках цилиндров, как это обычно выполняется в таких конструкциях.
С отклонением от указанного выше примера возможны различные изменения и варианты выполнения, которые, исходя из принципиальной идеи решения, доступны для специалистов в данной области техники. Поэтому системы, описание которых приведено выше, следует рассматривать лишь в качестве примера.