ЛИТЕЙНЫЙ СТЕРЖЕНЬ РУБАШКИ ОХЛАЖДЕНИЯ ГОЛОВКИ ЦИЛИНДРОВ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
MOULD CORE OF COOLING JACKET OF HEAD OF DIESEL ENGINE CYLINDERS WITH LIQUID COOLING

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к конструкциям литейных стержней рубашки охлаждения головки цилиндров двигателей внутреннего сгорания.
Известен литейный стержень для изготовления рубашки охлаждения головки цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением (см. патент Японии №2000034950 от 02.02.2000 г., МПК F02F 1/24), содержащий рубашку охлаждения с каналами для подвода охлаждающей жидкости к стенкам камер сгорания, седлам клапанов, распылителям топливных форсунок и направляющих втулок, состоящий из двух стержней, соединенных между собой посредством трубок, которые в последствии остаются в отливке и образуют колодцы для размещения свечей зажигания или топливных форсунок (в зависимости от назначения головки). Кроме этого трубки используются для фиксирования стержней в литейной форме и направленного охлаждения отливки с целью получения более плотной структуры литья в зонах стенок камер сгорания. Стержни расположены таким образом, что после их удаления из отливки водяная рубашка оказывается разделенной на две полости, которые делят поток охлаждающей жидкости, поступающей в головку, на два направления: одно к стенкам камер сгорания, седлам клапанов, свечам зажигания (распылителям топливных форсунок), другое к направляющим клапанов и другим нагретым поверхностям.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве недостатком является наличие большого количества компонентов в литейной оснастке, повышающих стоимость отливок и требующих применения сложного литейного оборудования. При этом существует вероятность возникновения в литье неспая между трубками и основным металлом головки, что в последствии может привести к разгерметизации камер сгорания, рубашки охлаждения и отказам двигателя.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является литейный стержень рубашки охлаждения головки цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением (см. патент ЕПВ №1143135, МПК F02F 1/36, 10.10.2001) с каналами для подвода охлаждающей жидкости к стенкам камер сгорания, седлам клапанов, распылителям топливных форсунок и направляющих втулок клапанов, состоящий из двух стержней, имеет два продольно расположенных параллельных канала (один со стороны впуска, другой со стороны выпуска) и центральный канал, разделенный на верхнюю и нижнюю части, причем верхняя часть центрального канала сообщается с каналом со стороны выпуска, а нижняя часть центрального канала сообщается с каналом со стороны впуска.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что при его реализации в рубашке охлаждения головки цилиндров протекает несколько отдельных (изолированных друг от друга) потоков охлаждающей жидкости, что при экстремальных температурных нагрузках из-за ограниченной пропускной способности отдельных каналов создает дефицит охлаждающей жидкости в зонах с высокой температурой, может вызвать локальные перегревы в головке цилиндров и привести к структурным изменениям материала головки, ее разрушению и отказам двигателя, кроме того, наличие локальных перегревов в материале головки (полей с различным уровнем температур) приводит к возникновению температурных напряжений в узлах силовых элементов головки и деформациям рабочих поверхностей, что также снижает ресурс и надежность двигателя. Кроме того, наличие формовочных уклонов по всей высоте рубашки охлаждения и многочисленных перегородок, уменьшающих проходные сечения каналов, увеличивает массу головки и усложняет литейную оснастку в том числе за счет необходимости подведения к массивным узлам отливки дополнительных питателей.
Сущность изобретения заключается в разработке литейных стержней для образования каналов рубашки охлаждения головки цилиндров с целью обеспечения эффективного охлаждения высоко нагретых элементов головки цилиндров, получения отливки наиболее экономичным способом и уменьшения металлоемкости детали.
Технический результат - применение данной конструкции литейного стержня позволяет получить оптимальную форму рубашки охлаждения головки цилиндров двигателя внутреннего сгорания для обеспечения эффективного охлаждения стенок камер сгорания, седел, распылителей топливных форсунок и направляющих втулок клапанов головки цилиндров; снижения металлоемкости головки и себестоимости производства отливок.
Указанный технический результат достигается тем, что в литейном стержне рубашки охлаждения головки цилиндров дизельного двигателя с жидкостным охлаждением, содержащем каналы для подвода охлаждающей жидкости к стенкам камер сгорания, к седлам клапанов, к распылителям топливных форсунок и направляющим втулок клапанов, состоящем из двух стержней, особенностью является то, что стержни в процессе сборки литейной формы соединяются между собой без зазора и образуют в литье единую, не разделенную сплошными перегородками на отдельные каналы полость рубашки охлаждения и поверхность их разъема делит рубашку охлаждения от нижней плиты головки цилиндров до её верхней стенки на равные части по высоте, уменьшая протяженность формовочных уклонов, а формовочные уклоны на литейных стержнях имеют минимально возможную протяженность или совпадают с естественными уклонами конструктивных элементов головки цилиндров, что минимизирует массу технологических заливов от формовочных уклонов и позволяет получить в литье рубашку охлаждения с максимально свободным доступом охлаждающей жидкости к охлаждаемым поверхностям. Кроме того, как минимум один из установочных элементов литейного стержня имеет поверхность, образующую при литье поверхность или часть поверхности наружной стенки головки цилиндров, что позволяет сократить количество стержней в литейной форме и повысить точность отливки.
На фиг. 1 изображен вид головки цилиндров сверху; на фиг.2 - сечение Е-Е головки цилиндров; на фиг.3 - сечение Д-Д головки цилиндров; на фиг.4 - комплект литейной оснастки (литейная форма), вид сверху; на фиг.5 -сечение А-А литейной формы; на фиг.6 - общий вид стержня рубашки охлаждения головки цилиндров в сборе; на фиг.7 - общий вид нижней части стержня рубашки охлаждения головки цилиндров; на фиг.8 - стержень рубашки охлаждения головки цилиндров, вид сверху; на фиг.9 - сечение С-С стержня рубашки охлаждения головки цилиндров; на фиг.10 - сечение В-В стержня рубашки охлаждения головки цилиндров.
Литейный стержень, образующий в литье рубашку охлаждения 2 головки цилиндров 1 дизельного двигателя с жидкостным охлаждением, состоит из двух литейных стержней верхнего 3 и нижнего 4, соединенных между собой без зазора, и содержит поверхность разъема 5, установочные элементы 6, 7, 8, при этом элементы 6 и 8 вынесены за пределы рубашки охлаждения головки, а элементы 7 образуют в литье протоки для подвода охлаждающей жидкости в головку из блока цилиндров, поверхности 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, на которых формовочные уклоны совпадают с естественным наклоном конструктивных элементов, поверхности 16, на которых формовочные уклоны по высоте рубашки охлаждения 2 поверхностью разъема 5 уменьшены в два раза, участки поверхностей 17, образованные ломанной (Z-образной) поверхностью разъема стержневого (формовочного) ящика, поверхности 18 и 19 (на установочном элементе 8), образующие в литье внешнюю заднюю стенку головки цилиндров 1, поверхности 20 и 21, образующие в литье стенки газовых каналов, полости для установки стержней 22 впускных и 23 выпускных каналов, а также другие полости, выемки, выступы для образования в литье различных конструктивных элементов головки цилиндров 1 (бобышек под резьбовые отверстия, ребер жесткости, колодцев под топливные форсунки, под свечи накаливания и др.).
Работа осуществляется следующим образом. При сборке литейной формы стержни, образующие рубашку охлаждения 2, устанавливаются в следующей последовательности: первым устанавливается нижний стержень 4, образующий нижнюю часть рубашки охлаждения 2, далее поочередно устанавливаются стержни 22 впускных и 23 выпускных газовых каналов, после чего устанавливается верхний стержень 3, образующий верхнюю часть рубашки охлаждения 2. Во избежание образования заливов узких мест 24, 25, 26 в рубашке охлаждения 2 по поверхности 5 разъема (соединения) стержней, из-за неплотного соединения стержней в литейной форме верхний 3 и нижний 4 стержни в местах вероятных заливов соединяются при помощи клея. При заполнении жидким металлом литейной формы рубашка охлаждения головки цилиндров 1 образуется за счет вытеснения части металла телом стержня, при этом форма поверхности рубашки охлаждения 2 полностью повторяет форму стержня без учета поверхностей, образованных поверхностями 18 и 19 установочного элемента 8, который формирует наружную поверхность задней стенки головки цилиндров 1. На работающем двигателе с предложенной (не разделенной) полостью рубашки охлаждения 2 головки цилиндров 1 тепло от нагретых частей головки 1 отводится во весь объем охлаждающей жидкости, находящийся в рубашке охлаждения 2, при этом эффективность охлаждения повышается в том числе за счет интенсивного перемешивания большого объема охлаждающей жидкости конвективными потоками, образующимися над нагретыми поверхностями, что также способствует выравниванию температурных полей по всему объему головки 1, снижению температурных напряжений в узлах силовых элементов головки 1 и деформаций рабочих поверхностей.
Преимущество изобретения состоит в том, что по сравнению с известными конструкциями литейных стержней рубашек охлаждения головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания предложенная форма и соединение стержней, образующих рубашку охлаждения, позволяют организовать поток охлаждающей жидкости таким образом, чтобы обеспечить эффективное охлаждение стенок камер сгорания, седел клапанов газораспределения, распылителей топливных форсунок и направляющих втулок клапанов, обеспечить высокую технологичность отливки головки цилиндров с минимально возможной массой, повысить надежность двигателя за счет уменьшения температурных напряжений и деформаций в головке.