ГОЛОВКА ЦИЛИНДРОВ С ПРИЗНАКАМИ ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ СЖАТИЯ ВЫПУСКНОГО КОЛЛЕКТОРА
CYLINDER HEAD WITH FEATURES TO LIMIT EXHAUST MANIFOLD COMPRESSION

Область техники
Настоящее изобретение относится к головке цилиндров для двигателя внутреннего сгорания и особенно, хотя и не исключительно, связано с головкой цилиндров, которая содержит опорное плечо, выполненное с возможностью ограничения сжатия выпускного коллектора.
Уровень техники
Выпускные коллекторы работают в условиях высоких температур (например, в среде с температурами около или выше 1000°С), которые могут приближаться к эксплуатационным пределам материала, из которого они сделаны. Такими материалами являются, например, аустенитный и ферритный чугун и аустенитная и ферритная литая нержавеющая сталь. В частности, выпускные коллекторы могут быть отлиты из этих материалов. На протяжении срока службы двигателя, выпускной коллектор может разогреваться и охлаждаться много раз, что может вызвать деформацию. Во время горячей фазы, выпускной коллектор может расширяться до 3 мм в длину, например. Однако, при охлаждении, коллектор может сжиматься (например, необратимо сжиматься) таким образом, что после многих термических циклов он становится на 3 мм короче по длине по сравнению со своей первоначальной длиной, например.
На фиг. 1 и 2 показан предложенный ранее выпускной коллектор 10. Выпускной коллектор 10 снабжен трубками 12 переноса отработавших газов и фланцами 14 для соединения выпускного коллектора 10 с головкой 20 цилиндров двигателя 30.
Выпускной коллектор 10 испытывает термические циклы при своих многократных нагревах и охлаждениях. Это заставляет выпускной коллектор 10 расширяться и сжиматься. Во время фазы сжатия, более горячие части коллектора 10 имеют меньшую прочность и поэтому могут испытывать необратимую пластическую деформацию. Это приводит к тому, что выпускной коллектор 10 сжимается до меньшей длины, чем изначально сконструировано. Эта деформация может вызвать чрезмерное внутреннее напряжение и, в конечном счете, поломку выпускного коллектора, что приведет к утечке отработавших газов.
Изложение сущности изобретения
В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, предлагается головка цилиндров для двигателя внутреннего сгорания, при этом головка цилиндров содержит множество выпускных отверстий, распределенных вдоль продольной оси головки цилиндра, причем выпускные отверстия выполнены с возможностью выравнивания с соответствующими трубками для переноса отработавших газов выпускного коллектора, и каждое выпускное отверстие содержит сопрягаемую поверхность, выполненную с возможностью приема фланцев на трубках для переноса отработавших газов,
причем головка цилиндров дополнительно содержит два или более опорных плеч, каждое из которых связано с другим выпускным отверстием и проходит за пределы сопрягаемых поверхностей, и опорные плечи выполнены как одно целое, например, объединены с остальной частью головки цилиндров, причем каждое опорное плечо содержит опорную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия трубками для переноса отработавших газов таким образом, чтобы ограничивать продольное сжатие выпускного коллектора, например, по длине выпускного коллектора, проходящего в направлении продольной оси головки цилиндров.
Опорные плечи могут располагаться у края сопрягаемой поверхности. Опорные плечи могут располагаться на стороне сопрягаемой поверхности, которая обращена от (например, являющаяся самой дальней от) торцов головки цилиндров.
Опорные плечи могут располагаться между соседними выпускными отверстиями. Выпускные отверстия могут быть выровнены друг с другом. Опорные плечи могут быть расположены на одной линии с выпускными отверстиями.
Первое опорное плечо может быть связано с (например, расположено в одном ряду) выпускным отверстием у первого торца головки цилиндров. Второе опорное плечо может быть связано с (например, расположено в одном ряду) выпускным отверстием у второго торца головки цилиндров. Например, первое опорное плечо может быть расположено рядом с первым выпускным отверстием, а второе опорное плечо может быть расположено рядом с последним (например, четвертым) выпускным отверстием на головке цилиндров. Опорные плечи могут располагаться на стороне соответствующего выпускного отверстия, которая обращена к (например, является ближайшей к) центру головки цилиндров.
Каждое выпускное отверстие имеет одно или менее опорных плеч, связанных с ним. Другими словами, выпускные отверстия могут иметь только одно (или ни одного) опорное(ого) плечо(а). Опорные плечи могут быть расположены только на одной стороне соответствующего выпускного отверстия.
Опорные плечи могут быть расположены таким образом, чтобы образовать первый зазор между опорными поверхностями и соответствующими трубками для переноса отработавших газов при первоначальной сборке выпускного коллектора и головки цилиндров, например, до того, как выпускной коллектор начал расширяться и сжиматься из-за термических циклов, возникающих во время использования.
Опорные плечи могут содержать дополнительную поверхность, противоположную опорной поверхности. Эта дополнительная поверхность может быть установлена обращенной к соседней трубке для переноса отработавших газов. Опорные плечи могут иметь такие размеры, чтобы образовать второй зазор между дополнительной поверхностью опорного плеча и соседней трубкой переноса отработавших газов при первоначальной сборке выпускного коллектора и головки цилиндров и во время расширения выпускного коллектора, таким образом, что опорные плечи могут допускать расширение выпускного коллектора. Этот второй зазор может быть больше первого зазора при первоначальной сборке выпускного коллектора и головки цилиндров. Опорные плечи могут, таким образом, ограничивать сжатие выпускного коллектора, но не ограничивать расширение выпускного коллектора.
Эта дополнительная поверхность опорного плеча может быть наклонена, например, не перпендикулярна к сопрягаемой поверхности. Дополнительная поверхность может быть наклонена таким образом, что опорное плечо может быть уже (в направлении продольной оси) на самом дальнем торце от сопрягаемой поверхности. Опорная поверхность может быть перпендикулярна сопрягаемой поверхности.
По меньшей мере одно из опорных плеч может быть выполнено с возможностью поддержки теплового экрана. Этот тепловой экран может быть тепловым экраном для выпускного коллектора.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, предлагается двигатель в сборе, содержащий головку цилиндров и выпускной коллектор в соответствии с любым из вышеприведенных утверждений. Данный двигатель в сборе может дополнительно содержать тепловой экран, выполненный с возможностью соединения с по меньшей мере одним из опорных плеч.
Чтобы избежать ненужного дублирования усилий и повторения текста в настоящем описании, некоторые отличительные признаки раскрыты только относительно одного или нескольких аспектов, или вариантов осуществления изобретения. Тем не менее, следует понимать, что там, где это технически возможно, отличительные признаки, раскрытые относительно любого аспекта или варианта осуществления изобретения, могут также использоваться с любым другим аспектом или вариантом осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания настоящего изобретения, и для более ясного показа как оно может осуществляться, сейчас, в качестве примеров, будут даны ссылки на прилагаемые чертежи, в которых:
на фиг. 1 показан вид в аксонометрии предложенного ранее двигателя с головкой цилиндров и выпускным коллектором;
на фиг. 2 показан вид в аксонометрии предложенной ранее головки цилиндров и выпускного коллектора;
на фиг. 3 показан вид в разрезе головки цилиндров и выпускного коллектора в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения; и
на фиг. 4 показан в увеличенном масштабе вид в разрезе головки цилиндров и выпускного коллектора в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Ссылаясь на фиг. 3, настоящее изобретение относится к головке 120 цилиндров для двигателя внутреннего сгорания. Головка 120 цилиндров может быть отделена от остальной части блока двигателя или составлять единое целое с другими частями блока двигателя. Головка 120 цилиндров содержит множество выпускных отверстий 122, которые, при сборке двигателя, находятся в сообщении по текучей среде с соответствующими цилиндрами двигателя (не показаны) посредством одного или более выпускных клапанов (не показаны). Выпускные отверстия 122 могут быть выровнены и распределены вдоль продольной оси головки цилиндров. Отработавшие газы из цилиндров проходят через выпускные отверстия 122 к выпускному коллектору 10.
Выпускной коллектор 10 содержит корпус, определяющий по меньшей мере две трубки 12 для переноса отработавших газов, которые объединяются или смешиваются в общую трубку 11, содержащую общее отверстие 16 для отработавших газов. Общая трубка 11 может проходить, по существу, в продольном направлении. В изображенном конкретном варианте осуществления, выпускной коллектор 10 содержит четыре трубки 12а, 12b, 12с, 12d, для переноса отработавших газов, которые выровнены и находятся в сообщении по текучей среде с четырьмя соответствующими выпускными отверстиями 122а, 122b, 122с, 122d, соответственно. Тем не менее, следует понимать, что предполагаются и другие количества выпускных отверстий и трубок для переноса отработавших газов и что, число трубок для переноса отработавших газов не обязательно должно быть таким же, как число выпускных отверстий, например, из-за объединенных выпускных отверстий.
Выпускной коллектор 10 может содержать дополнительную трубку 13 для переноса, которая не связана с цилиндром двигателя. Дополнительная трубка 13 для переноса может находиться в сообщении по текучей среде с каналом 123 рециркуляции отработавших газов или любым другим каналом, который может проходить через головку 120 цилиндров.
Выпускной коллектор 10 может соответствовать предложенному ранее выпускному коллектору, который изображен на фигурах 1 и 2. Соответственно, выпускной коллектор 10 может содержать фланцы 14, где каждая из трубок 12a-d для переноса отработавших газов имеет соответствующий фланец 14a-d для крепления используемого выпускного коллектора к двигателю. Как изображено, фланцы 14a-d для каждой трубки 12a-d для переноса отработавших газов могут быть отделены друг от друга. Тем не менее, может быть обеспечен общий фланец для двух или более трубок для переноса отработавших газов, таких как средняя пара трубок 12b, 12с для переноса отработавших газов. Кроме того, в показанном расположении, может быть также обеспечен общий фланец 14d через четвертую трубку 12d для переноса отработавших газов и дополнительную трубку 13 для переноса.
Как видно на фиг. 2, фланцы 14 могут проходить (например, выступать) дальше в направлении, перпендикулярном продольной оси головки цилиндров, а не в направлении, параллельном данной продольной оси. Через отверстия 15 во фланцах 14 могут проходить крепежные детали (не показаны) для соединения выпускного коллектора 10 с головкой 120 цилиндров.
Вернемся к фиг. 3, где каждое выпускное отверстие 122a-d содержит сопрягаемую поверхность 124a-d, выполненную с возможностью приема фланцев 14a-d трубок для переноса отработавших газов. Соответственно, эти сопрягаемые поверхности могут окружать выпускные отверстия 122a-d. Для облегчения прилегания, сопрягаемые поверхности 124a-d и соответствующие сопрягаемые поверхности 14a-d фланцев могут быть, по существу, плоскими. Как изображено, сопрягаемые поверхности 124a-d могут быть отделены друг от друга; однако, одна или более сопрягаемых поверхностей могут быть объединены вместе.
Продолжим ссылаться на фиг. 3, где головка 120 цилиндров дополнительно содержит два или более опорных плеч 126. Каждое опорное плечо 126 может быть связано с другим выпускным отверстием 122a-d, хотя конкретное выпускное отверстие может и не иметь связанного с ним опорного плеча. Другими словами, конкретное выпускное отверстие 122a-d может иметь только одно (или ни одного) опорное(ого) плечо(а) 126. В изображенном конкретном варианте осуществления, первое опорное плечо 126а может быть связано с первым выпускным отверстием 122а у первого торца 120а головки цилиндров. Второе опорное плечо 126d может быть связано с четвертым выпускным отверстием 122d у второго торца 120b головки цилиндров. В противоположность этому, второе и третье выпускные отверстия 122b, 122с могут не иметь связанного с ними опорного плеча.
Опорные плечи 126 расположены рядом с (например, вдоль) соответствующим выпускным отверстием 122. В частности, опорные плечи 126 могут быть расположены на краю сопрягаемой поверхности 124. Опорные плечи 126 проходят (например, выступают) за сопрягаемыми поверхностями 124 в направлении, по существу, перпендикулярном (например, перпендикулярном) к сопрягаемым поверхностям. Опорные плечи 126 могут также проходить в направлении, параллельном сопрягаемым поверхностям 124.
Выпускные отверстия 122 могут быть выровнены друг к другу, например, вдоль продольной оси головки 120 цилиндров или двигателя 30. Опорные плечи 126 могут быть расположены на одной линии с выпускными отверстиями 122, например, вдоль оси, проходящей через центры выпускных отверстий.
Опорные плечи 126 могут быть расположены на одной стороне соответствующего выпускного отверстия 122. Опорные плечи 126 могут быть расположены на той стороне соответствующего выпускного отверстия 122, которая находится ближе всего к центру головки цилиндров (или дальше всего от первого и второго торцов 120а, 120b головки цилиндров). Таким образом, опорные плечи 126 могут быть расположены между соседними выпускными отверстиями 122. В частности, опорные плечи 126 могут проходить из области между соседними сопрягаемыми поверхностями 124. Область между соседними сопрягаемыми поверхностями 124 может быть утоплена относительно этих сопрягаемых поверхностей.
Опорные плечи 126 могут быть выполнены как одно целое, например, объединены с остальной частью головки 120 цилиндров. Например, опорные плечи 126 могут быть частью той же отливки, что и головка цилиндров.
Каждое опорное плечо 126a, 126d содержит опорную поверхность 127а, 127d, которая при сборке обращена к соответствующему выпускному отверстию 122 и, следовательно, трубке 12 для переноса отработавших газов. Опорные поверхности 127 выполнены с возможностью взаимодействия с трубками 12 для переноса отработавших газов. В частности, опорные поверхности 127 могут взаимодействовать с фланцами 14 на концах трубок для переноса отработавших газов, несмотря на то, что фланцы 14 могут проходить в разных количествах вокруг их периметра. Например, как показано на видах в разрезе фигур 3 и 4, вдоль оси, проходящей через центры выпускных отверстий, протяженность фланцев (от внутренней поверхности трубки для переноса отработавших газов) может быть, по существу, такой же, или даже меньше, чем толщина стенки, образующей трубки 12 для переноса отработавших газов.
Опорные поверхности 127 могут повторять форму соответствующих трубок 12 для переноса отработавших газов. Например, если фланец 14 изогнут в плоскости, параллельной сопрягаемой поверхности, опорные поверхности 127 могут также быть изогнуты с таким же профилем. Таким образом, контакт между опорной поверхностью 127 и трубкой 12 для переноса отработавших газов может быть распределен по области, что может уменьшить результирующие напряжения.
Опорные поверхности 127а, 127d обращены к торцам 120а, 120b головки цилиндров (и, следовательно, торцам выпускного коллектора), соответственно. Такое расположение опорных поверхностей 127 ограничивает продольное сжатие выпускного коллектора 10, в направлении, указанном стрелками А, в силу взаимодействия между опорными поверхностями 127 и трубками 12 для переноса отработавших газов.
Ссылаясь на фиг. 4, опорные плечи 126 могут быть расположены таким образом, чтобы образовать первый зазор 127' между опорными поверхностями 127 и соответствующими трубками 12 для переноса отработавших газов при первоначальной сборке выпускного коллектора 10 и головки 120 цилиндров, например, до того, как выпускной коллектор начал расширяться и сжиматься из-за термических циклов, возникающих во время использования двигателя. Первый зазор 127' может быть маленьким, например, 1 мм или меньше. Первый зазор 127' может облегчить установку выпускного коллектора 10 на головку 120 цилиндров. Кроме того, первый зазор 127' может позволить некоторую величину сжатия выпускного коллектора перед тем, как опорные поверхности 127 войдут в прилегание с трубками 12 для переноса отработавших газов.
Продолжим ссылаться на фиг. 4, где опорные плечи 126 могут содержать дополнительную поверхность 128, расположенную на противоположной стороне опорного плеча 126 к опорной поверхности 127. При сборке, дополнительная поверхность 128 может быть установлена обращенной от соответствующего выпускного отверстия 122 и, следовательно, соответствующей трубки 12 для переноса отработавших газов. Таким образом, дополнительная поверхность 128 может быть обращена к центру головки цилиндров (или от торцов головки цилиндров) и может быть обращена к соседней трубке 12 для переноса отработавших газов.
Дополнительная поверхность 128 опорного плеча 126 может находиться под углом, например, не перпендикулярно, относительно соответствующей сопрягаемой поверхности 124. Дополнительная поверхность 128 может быть наклонена таким образом, что опорное плечо 126 может быть уже (в направлении продольной оси головки цилиндров) на самом дальнем торце от сопрягаемой поверхности 124. В противоположность этому, опорная поверхность 127 может быть, по существу, перпендикулярна (например, перпендикулярна) сопрягаемой поверхности 124.
Опорные плечи 126 могут иметь такие размеры, чтобы образовать второй зазор 128' между дополнительной поверхностью 128 опорного плеча и соседней трубкой 12 для переноса отработавших газов при первоначальной сборке выпускного коллектора и головки цилиндров. Второй зазор 128' может также сохраняться после расширения выпускного коллектора 10, которое может происходить во время использования двигателя. Опорные плечи могут, таким образом, не ограничивать расширение выпускного коллектора во время использования двигателя.
Второй зазор 128' может быть больше первого зазора 127' при первоначальной сборке выпускного коллектора и головки цилиндров. Опорные плечи 126 могут, таким образом, ограничивать сжатие выпускного коллектора 10, но допускать возможные расширения выпускного коллектора.
Доказано, что предотвращение чрезмерного сжатия выпускного коллектора 10 повышает срок службы выпускного коллектора. Кроме того, допущение расширения выпускного коллектора 10 помогает предотвратить быстрый выход из строя выпускного коллектора.
Хотя это и не показано, предполагается, что по меньшей мере одно из опорных плеч 126 может быть выполнено с возможностью поддержки теплового экрана для выпускного коллектора 10. Другими словами, одно или более опорных плеч 126 может образовывать выступ для теплового экрана, на который можно установить этот тепловой экран. Такое опорное плечо может дополнительно расширяться в направлении, параллельном сопрягаемой поверхности, для взаимодействия с тепловым экраном.
Специалистам в данной области будет понятно, что, хотя изобретение и раскрыто с помощью примера, со ссылкой на один или более примеров, оно не ограничено раскрытыми примерами, и что альтернативные примеры могут быть построены без отступления от сущности и объема настоящего изобретения, как это определено в прилагаемой формуле изобретения.