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).
Одна из проблем, стоящих перед конструкторами ДВС - повышение надежности газового стыка между головкой блока цилиндров и цилиндрами.
Задача надежности газового стыка может решаться следующими способами:
- применением болтов (шпилек), выполненных из материалов с разным коэффициентом теплового расширения [См., например: JPS 578334 A];
- применением болтов (шпилек) разного диаметра [См., например: JPS578335A];
- за счет специфического выполнения поверхности головки блока цилиндров [См., например: JPS 5882045 A];
- за счет смещения колодцев под болты крепления головки блока цилиндров относительно друг друга [RU 155198 U1].
Известны головки блока цилиндров ДВС, выполненные из алюминиевого сплава для ДВС, имеющих степень сжатия 7÷8 и рабочее давление в цилиндре, не превышающее 50-55 бар. Например, головка блока цилиндров семейства двигателей ЗМЗ-53.10. Конструкция 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 увеличенное до шести, на один цилиндр, точек крепления головки цилиндров для обеспечения надежной работы газового стыка.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является головка цилиндров ДВС, выполненная из алюминиевого сплава и имеющая четыре точки крепления на каждый цилиндр блока цилиндров для двигателя ВА3-2101, показавшая хорошие характеристики по надежности уплотнения газового стыка для степени сжатия 8÷8,5 и рабочего давления в цилиндре 55-60 бар. [См. «ВА3-2101-02. Ремонт без проблем», издательский дом «Третий Рим», 2008 г., А.С. Кузнецов, стр. 9, 14].
К недостаткам данной конструкции головки блока цилиндров относится одинаковое расстояние вдоль оси двигателя между точками крепления головки блока цилиндров к блоку цилиндров, что ведет к необоснованному с точки зрения жесткости перерасходу металла и увеличению габаритов двигателя и указывает на несовершенство конструкции.
Техническая проблема, решаемая данной полезной моделью, заключается в создании такой конструкции головки блока цилиндров ДВС, которая позволяет получить оптимальный размер головки блока цилиндров ДВС.
Технический результат от применения предлагаемой полезной модели заключается в повышении надежности газового стыка при оптимальных габаритах и расходе металла на головку цилиндров.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в головке блока цилиндров ДВС (четырехцилиндрового рядного) из алюминиевого сплава, имеющей четыре точки крепления на каждый цилиндр двигателя (при этом каждая пара точек крепления соседних цилиндров является общей, т.е. для 4-х цилиндрового ДВС количество точек равно 10), согласно предложению, расстояние между точками крепления к блоку цилиндров вдоль продольной оси двигателя выполнено неравномерным, а именно - расстояние вдоль продольной оси двигателя между точками крепления, расположенными в области первого и четвертого цилиндров существенно (на 5,5-6,5%) меньше, чем расстояние вдоль оси двигателя между точками крепления, расположенными вокруг остальных цилиндров.
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 схематично показан газовый стык ДВС в разрезе; на фиг. 2 показана головка цилиндров, вид сверху.
Газовый стык между головкой 1 и блоком цилиндров 2 уплотнен эластичной прокладкой 3. Расстояния В вдоль продольной оси двигателя между точками крепления, расположенными вокруг газовых стыков крайних (первого и четвертого) цилиндров, меньше расстояний Bi между точками крепления, расположенными вокруг газовых стыков средних (второго и третьего) цилиндров.
Головка цилиндров работает следующим образом.
При рабочем такте давление газов в цилиндре двигателя повышается до рабочего давления. Давление газов действует на поверхность головки цилиндров 1, ограниченную уплотнительным периметром прокладки 3 блока цилиндров 2 (диаметр ее отверстий немного превышает диаметр цилиндров Dц для исключения контакта с поршнем) и деформирует головку цилиндров 1. Причем наибольшая деформация соответствует приблизительно середине пролета между осями крепежа для некрайних цилиндров, которые уплотнены симметрично вдоль продольной оси двигателя, в уплотнении участвуют не только 4 болта от соседних цилиндров (многоопорная балка на упругом основании). Они обеспечивают параллельность касательных к деформированной поверхности блока 2 и головки 3 между цилиндрами, т.е. угловое коробление сопрягаемых деталей в районе осей точек крепления между некрайними цилиндрами практически исключено. Совершенно иная картина для крайних, вдоль продольной оси двигателя, цилиндров. После точек крепления на относительно малом расстоянии и головка 1, и блок 2 заканчиваются, а разделены они относительно мягкой уплотнительной прокладкой 3, податливость которой значительно превышает податливость головка цилиндров и блока цилиндров. При этом крайние крепежные элементы не разгружены соседними крепежными элементами и подвержены увеличенной осевой нагрузке.
По указанной причине наибольшая деформация смещается от середины расстояния между точками крепления в сторону крайних точек крепления, при этом не обеспечивается параллельность касательных к деформированным уплотнительным поверхностям головки 1 и блока 2, а имеется некоторый угол поворота, усугубляющий деформацию уплотняемых поверхностей и возможность нарушения герметичности газового стыка.
Требование к ограничению деформации уплотняемой поверхности достигается тем, что расстояние вдоль оси двигателя между точками крепления связываются предлагаемым в полезной модели соотношением.
Назначение величины соотношения 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 ƒ - прогиб балки
q - распределенная нагрузка
l - расстояние между опорами
Е - модуль упругости материала
I - момент инерции сечения балки.
Для одной и той же головки цилиндров одинаковы и Е и I, т.е. формула приобретает вид:
4
ƒ=K*B.
Отсюда следует, что даже небольшое уменьшение осевого расстояния между точками крепления В очень сильно уменьшает величину деформации между точками крепления.
При этом если крайние точки крепления головки сдвинуть вдоль оси двигателя к его середине, то увеличивается относительная длина и площадь поверхности площадки, расположенной за осями крайних точек крепления и препятствующих повороту прилегающих плоскостей.
Из практики установлено, что для алюминиевой головки цилиндров и алюминиевого блока цилиндров, соединяемых стальными крепежными элементами при применении приблизительное равенство контактных давлений на прокладку для крайних и средних цилиндров достигается при уменьшении осевого расстояния между первым и вторым и предпоследним и последним рядами точек крепления головки цилиндров к блоку цилиндров на 5,5-6,5%.
Преимущество полезной модели состоит в том, что по сравнению с известными головками блока цилиндров ДВС предложенная конструкция головки блока цилиндров ДВС позволяет получить оптимальную длину головки блока цилиндров, что обеспечивает необходимую жесткость поверхности, формирующей газовый стык и надежное его уплотнение прокладкой головки цилиндров при повышенном рабочем давлении в цилиндрах, а также обеспечить оптимальный вес и габариты конструкции.