ГОЛОВКА ЦИЛИНДРА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ Российский патент 1995 года по МПК F02F1/36 F01P3/02 

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС) жидкостного охлаждения.

В современных ДВС для обеспечения высокого ресурса и надежности головок цилиндра (ГЦ) при максимальных давлениях сгорания Р_zmax ≈15 МПа используются конструктивные решения, снижающие термические напряжения в нижнем (огневом) днище ГЦ путем оптимизации его толщины и организации интенсивного охлаждения его центральной части и механические напряжения увеличением его жесткости за счет силовых ребер, соединяющих днище с наружными стенками, или введением разделительной перегородки, соединенной со стенками впускных и выпускных каналов и наружными стенками ГЦ.

Известна, например, ГЦ форсированного ДВС фирмы Deutz (патент ФРГ N РS N 2514044, кл. F 01 F 1/36, опублик. 1983), которая имеет верхнее и нижнее (огневое) днища, между которыми выполнена коническая перегородка, соединенная с наружной стенкой. Охлаждение нижнего (огневого) днища осуществлено двумя потоками жидкости, один из которых омывает периферийную часть днища снаружи перегородки, а другой через изогнутую трубку направлен к центральной части днища и отводится через отверстие в конической перегородке.

Наличие конической перегородки, на которую опирается нижнее (огневое) днище в своей центральной части (в зоне 0,4 радиуса цилиндра), уменьшает прогиб относительно тонкого днища до необходимой величины.

Однако соединение массивной перегородки с огневым днищем, имеющим относительно высокую температуру со стороны камеры сгорания, при наличии застойных зон в водяной полости в местах соединения перегородки, днища и боковых стенок при форсировании двигателя по среднему эффективному давлению ведет к появлению значительных градиентов температур в днище и высоких термических напряжений. Кроме того, указанная конструкция разработана для двух-клапанной ГЦ и неприменима к ГЦ с четырьмя клапанами газораспределения.

Известна также принятая за прототип ГЦ дизеля ЧН28/29 с жидкостным охлаждением (Стефановский Б. С Теплонапряженность деталей быстроходных поршневых двигателей. М. Машиностроение, 1978, с. 107, фиг. 74а), содержащая полость охлаждения, образованную нижним и верхним днищами, соединенными наружными стенками, гнездами клапанов и стаканом форсунки, разделительную перегородку полости, выполненную заодно с наружными стенками параллельно верхнему и нижнему (огневому) днищам и соединенную со стенками впускных и выпускных каналов и наружными стенками ГЦ. В центральной части перегородки вокруг стакана форсунки выполнено отверстие для прохода воды. Подвод воды к центральной части указанной ГЦ выполнен радиальными сверлениями между каналами впуска и выпуска.

Однако описанная конструкция ГЦ не может быть использована в новых дизелях с максимальными давлениями сгорания Р_z≥20 МПа и моторесурсом 4000 ч, так как разделительная перегородка, соединенная только с огневым днищем через стенки каналов, не обеспечивает требуемой жесткости днища в связи с недостаточным моментом сопротивления этого композита. Кроме того, в связи с недостаточным объемом водяной полости вокруг стакана форсунки, резкими переходами сечений водяной полости вдоль линии тока охлаждающей жидкости у поверхности огневого днища со стороны полости охлаждения образуются застойные зоны, ухудшающие теплообмен и приводящие при форсировании к перегреву днища.

Задачей изобретения является повышение жесткости конструкции, снижение прогиба нижнего (огневого) днища существенным увеличением момента сопротивления композита нижнее (огневое) днище разделительная перегородка и устранение застойных зон в водяной полости центральной части ГЦ.

Поставленная задача решается тем, что ГЦ ДВС с жидкостным охлаждением, содержащая полость охлаждения, образованную нижним и верхним днищами, соединенными наружными стенками с по меньшей мере одним отверстием для прохода жидкости вокруг стакана форсунки, и приливы с колодцами для элементов крепления головки к блоку, снабжена промежуточной опорной стенкой в виде усеченного конуса, большее основание которого жестко связано с верхним днищем головки в месте его перехода в наружную стенку, а меньшее с разделительной перегородкой в зоне отверстия таким образом, что диаметр основания конуса совпадает с диаметром отверстия в перегородке, при этом расстояние между разделительной перегородкой и огневым днищем уменьшается в сторону оси стакана форсунки.

В периферийной зоне нижнего днища выполнена дополнительная полость охлаждения, связанная сужающимися в направлении тока жидкости каналами с полостью охлаждения вокруг стакана форсунки, причем площадь отверстия для прохода жидкости в разделительной перегородке равна или меньше площади упомянутых каналов на выходе в полость вокруг стакана форсунки.

На фиг. 1 изображена предлагаемая ГЦ продольный разрез по ее оси между впускными и выпускными каналами; на фиг. 2 показано горизонтальное сечение по каналам подвода охлаждающей жидкости из кольцевого объема на периферии огневого днища к полости вокруг стакана форсунки; на фиг. 3 представлен вид на плоскость со стороны огневого днища ГЦ.

ГЦ ДВС с жидкостным охлаждением содержит полость 1 охлаждения, образованную верхним 2 и нижним 3 днищами, соединенными наружными стенками 4, гнездами клапанов впуска 5 и выпуска 6 и стаканом 7 форсунки, разделительную перегородку 8 полости с по меньшей мере одним отверстием 9 для прохода жидкости вокруг стакана форсунки, выполненную заодно с наружными стенками 4, приливы с колодцами 10 для элементов крепления головки к блоку, промежуточную опорную стенку 11 в виде усеченного конуса, большее основание 12 которого связано с верхним днищем 2 в местах 13 его перехода в наружные стенки 4, а меньшее основание 14 связано с разделительной перегородкой 8 в зоне отверстия 9 таким образом, что диаметр основания конуса совпадает с диаметром отверстия в перегородке 8. В периферийной зоне нижнего днища 3 выполнена дополнительная полость 15 охлаждения, соединенная с полостью 16 охлаждения вокруг стакана 7 форсунки либо литыми 17 либо сверлеными 18 каналами, расположенными по периметру. В наружной стенке 4 головки выполнены отверстия, закрытые пробками 19.

Охлаждающая жидкость подводится к головке через отверстия 20, выполненные со стороны нижней плоскости ГЦ. Отвод охлаждающей жидкости из головки выполнен через отверстие 21. Площадь отверстия 9 для прохода жидкости в разделительной перегородке 8 равна или меньше суммарной площади каналов 17 или 18 на выходе в полость 16. Расстояние а между разделительной перегородкой 8 и нижним днищем 3 головки уменьшается в сторону оси стакана 7 форсунки.

ГЦ работает следующим образом.

При установке на гильзу ГЦ прижимается к гильзе элементами крепления, проходящими через колодцы 10.

Давление газов, возникающее при работе двигателя, воздействует на огневое нижнее днище 3 и воспринимается жестким композитом, включающим упомянутое днище, разделительную перегородку 8, промежуточную опорную стенку 11 и наружные стенки 4 головки, и передается на элементы крепления через верхнее днище 2.

В сравнении с описанными выше конструкциями сочетание разделительной перегородки, имеющей вследствие уменьшающегося расстояния слегка коническую форму, и конической промежуточной опорной стенки позволяет существенно снизить деформации нижнего днища при больших значениях максимальных давлений сгорания.

Охлаждающая жидкость поступает через восемь перепускных отверстий 20 в кольцевую дополнительную полость 15, откуда через сужающееся пространство между разделительной перегородкой 8 и нижним днище 3, каналы 17 или 18 в полость 16 и отверстие 9.

Наличие сужающегося пространства стабилизирует течение жидкости и препятствует образованию вихревых, застойных зон, а наличие значительной по объему полости 16 стабилизирует течение жидкости в центральной зоне полости охлаждения.

Предложенное соотношение площадей отверстия 9 и каналов 17, 18 дополнительно препятствует возникновению отрывных течений.

Выполнение силовой схемы предложенным образом и организация конфузорных потоков охлаждающей жидкости с равномерным распределением по периметру головки цилиндра позволяет существенно уменьшить механические и термические напряжения в центральной части огневого днища и разгрузить от усилий верхнее днище.

В настоящее время изготовлены опытные экземпляры предлагаемой головки, проведены испытания на дизеле. Подтверждена высокая надежность и работоспособность ГЦ.

Использование: в поршневых ДВС с жидкостным охлаждением. Сущность: головка цилиндра содержит полость 1 охлаждения, образованную верхним 2 и нижним 3 (огневым) днищами, соединенными наружными стенками 4, гнездами клапанов 5, 6 и стаканом 7 форсунки, разделительную перегородку 8 полости 1 с по меньшей мере одним отверстием 9 для прохода жидкости вокруг стакана форсунки, выполненную заодно со стенками 4, промежуточную опорную стенку 11 в виде усеченного конуса, большее основание 12 которого связано с верхним днищем в местах 13 его перехода в наружные стенки 4, а меньше основание 14 связано с перегородкой 8 в зоне отверстия 9 таким образом, что диаметр основания конуса совпадает с диаметром отверстия в перегородке 8. Расстояние а между разделительной перегородкой 8 и нижним днищем 3 уменьшается в сторону оси стакана 7 форсунки. В периферийной зоне нижнего днища выполнена дополнительная полость 15 охлаждения, соединенная с полостью охлаждения вокруг стакана форсунки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ГОЛОВКА ЦИЛИНДРА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ, содержащая полость охлаждения, образованную нижним и верхним днищами, соединенными наружными стенками, гнездами клапанов и стаканом форсунки, разделительную перегородку полости, выполненную заодно с наружными стенками, с по меньшей мере одним отверстием для прохода жидкости вокруг стакана форсунки и приливы с колодцами для элементов крепления головки к блоку, отличающаяся тем, что она снабжена промежуточной опорной стенкой в виде усеченного конуса, большее основание которого связано с верхним днищем головки в месте его перехода в наружную стенку, а меньшее с разделительной перегородкой в зоне отверстия таким образом, что диаметр основания конуса совпадает с диаметром отверстия в перегородке, при этом расстояние между разделительной перегородкой и огневым днищем уменьшается в сторону оси форсуночного стакана. 2. Головка цилиндра по п.1, отличающаяся тем, что в периферийной зоне нижнего днища выполнена дополнительная полость охлаждения, связанная каналами с полостью охлаждения вокруг стакана форсунки, причем площадь отверстия для прохода жидкости в разделительной перегородке равна или меньше суммарной площади упомянутых каналов.