RU2039881C1

RU2039881C1 - Cylinder head of internal combustion engine with liquid cooling

Info

Publication number: RU2039881C1
Authority: RU
Inventors: Н.Е. Кухарев; Э.А. Козлова; Э.И. Бургсдорф; Ю.К. Чубара; В.М. Шептунов
Original assignee: Производственное объединение "Барнаултрансмаш"
Priority date: 1992-04-20
Filing date: 1992-04-20
Publication date: 1995-07-20

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: cylinder head has cooling space 1 defined by upper bottom 2 and lower (fire) bottom 3 interconnected via outer walls 4, sockets of valves 5,6, and sleeve of the nozzle, separating baffle 8 of space 1 with at least one opening 9 for flowing liquid around the sleeve of the nozzle made in block with walls 4, and intermediate bearing wall 11 constructed as a trancated cone whose grater base is coupled with the upper bottom at sites 13 of its turning into outer walls 4 and lesser base 14 is coupled with baffle 8 in the zone of opening 9 so that the diameter of the cone base is the same as the diameter of the opening made in baffle 8. The distance a between separating baffle 8 and lower bottom 3 decreases in the direction of axis of nozzle sleeve 7. Additional cooling space 15 connected with the cooling space around the nozzle sleeve is made in periphery zone of the lower bottom. EFFECT: improved design. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС) жидкостного охлаждения. The invention relates to piston internal combustion engines (ICE) of liquid cooling.

В современных ДВС для обеспечения высокого ресурса и надежности головок цилиндра (ГЦ) при максимальных давлениях сгорания Р_z _max ≈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.In modern ICEs, to ensure a high resource and reliability of cylinder heads (GC) at maximum combustion pressures P _z _max ≈15 MPa, structural solutions are used that reduce thermal stresses in the lower (fire) bottom of the GC by optimizing its thickness and organizing intensive cooling of its central part and mechanical stresses by increasing its stiffness due to power ribs connecting the bottom to the outer walls, or by introducing a dividing wall connected to the walls of the inlet and outlet channels and bunks zhnymi walls HZ.

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. Known, for example, GC forced ICE firm Deutz (Germany patent N PS N 2514044, class F 01 F 1/36, published. 1983), which has an upper and lower (fire) bottom, between which a conical partition is connected to the outer the wall. The bottom (fire) bottom was cooled by two fluid flows, one of which washes the peripheral part of the bottom outside the partition, and the other through a curved tube is directed to the central part of the bottom and is discharged through an opening in the conical partition.

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. The presence of a conical partition on which the lower (fire) bottom rests in its central part (in the region of 0.4 of the cylinder radius) reduces the deflection relative to the thin bottom to the required value.

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. However, the connection of a massive partition with a fire bottom having a relatively high temperature from the side of the combustion chamber, in the presence of stagnant zones in the water cavity at the junction of the partition, bottom and side walls when the engine is forced by the average effective pressure, leads to the appearance of significant temperature gradients in the bottom and high thermal stresses. In addition, this design is designed for a two-valve gas cylinder and is not applicable to a gas cylinder with four gas distribution valves.

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. A well-known liquid-cooled diesel engine ChN28 / 29, adopted for the prototype, is also known (B. Stefanovsky C. Heat stress of parts of high-speed piston engines. M. Mashinostroenie, 1978, p. 107, Fig. 74a), containing a cooling cavity formed by the lower and upper bottoms connected external walls, valve seats and nozzle glass, the partition wall of the cavity, made at the same time with the external walls parallel to the upper and lower (fire) bottoms and connected to the walls of the inlet and outlet channels and the outer walls of the HZ. An opening for water passage is made in the central part of the partition around the nozzle glass. The water supply to the central part of the indicated GC is made by radial drilling between the inlet and outlet channels.

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.However, the described GC design cannot be used in new diesel engines with maximum combustion pressures Р _z ≥20 MPa and a service life of 4000 h, since the dividing wall connected only to the firing bottom through the channel walls does not provide the required rigidity of the bottom due to insufficient moment of resistance of this composite. In addition, due to the insufficient volume of the water cavity around the nozzle nozzle, sharp transitions of the water cavity cross-sections along the coolant flow line near the surface of the firing base, stagnant zones form on the side of the cooling cavity, impairing heat transfer and leading to overheating of the bottom when forced.

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. The objective of the invention is to increase the rigidity of the structure, reducing the deflection of the lower (fire) bottom by significantly increasing the moment of resistance of the composite lower (fire) bottom dividing wall and eliminating stagnant zones in the water cavity of the central part of the HZ.

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. The problem is solved in that the GC ICE with liquid cooling, containing a cooling cavity formed by the lower and upper bottoms, connected by outer walls with at least one hole for the passage of fluid around the nozzle glass, and tides with wells for fastening elements of the head to the block, is equipped with an intermediate supporting wall in the form of a truncated cone, the larger base of which is rigidly connected with the upper bottom of the head at the place of its transition into the outer wall, and the smaller with the dividing partition in the area of so that the diameter of the base of the cone coincides with the diameter of the hole in the baffle, while the distance between the dividing baffle and the firing bottom decreases towards the axis of the nozzle cup.

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. In the peripheral zone of the lower bottom, an additional cooling cavity is made, connected by channels narrowing in the direction of the fluid flow with a cooling cavity around the nozzle cup, the area of the fluid passage in the dividing wall being equal to or less than the area of the said channels at the outlet into the cavity around the nozzle cup.

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. In FIG. 1 shows the proposed GC longitudinal section along its axis between the inlet and outlet channels; in FIG. 2 shows a horizontal section through the channels for supplying coolant from the annular volume at the periphery of the firing base to the cavity around the nozzle glass; in FIG. 3 shows a view of the plane from the side of the firing bottom of the HZ.

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. GC ICE with liquid cooling contains a cooling cavity 1 formed by upper 2 and lower 3 bottoms connected by outer walls 4, inlet valve seats 5 and exhaust 6 and nozzle cup 7, a partition wall 8 of the cavity with at least one hole 9 for the passage of fluid around nozzle cups made integral with the outer walls 4, tides with wells 10 for fastening elements of the head to the block, an intermediate supporting wall 11 in the form of a truncated cone, the larger base 12 of which is connected with the upper bottom 2 in places 13 of its transition to the outer walls 4, and the smaller base 14 is connected with the dividing wall 8 in the zone of the hole 9 so that the diameter of the base of the cone coincides with the diameter of the hole in the wall 8. In the peripheral zone of the lower bottom 3 an additional cooling cavity 15 is made, connected to cooling cavity 16 around the nozzle cup 7, either cast 17 or drilled 18 channels located around the perimeter. In the outer wall of the 4 heads made holes closed by plugs 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. Coolant is supplied to the head through openings 20 made from the side of the lower plane of the HZ. The coolant was removed from the head through the hole 21. The area of the hole 9 for the passage of liquid in the dividing wall 8 is equal to or less than the total area of the channels 17 or 18 at the outlet into the cavity 16. The distance between the dividing wall 8 and the bottom of the head 3 decreases towards the axis cups 7 nozzles.

ГЦ работает следующим образом. GC works as follows.

При установке на гильзу ГЦ прижимается к гильзе элементами крепления, проходящими через колодцы 10. When installed on the sleeve, the HZ is pressed to the sleeve by fastening elements passing through the wells 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. The gas pressure that occurs during engine operation acts on the lower firing base 3 and is perceived by a rigid composite, including the mentioned bottom, the dividing wall 8, the intermediate supporting wall 11 and the outer walls 4 of the head, and transmitted to the fastening elements through the upper bottom 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. In comparison with the constructions described above, the combination of a partition wall, which, due to the decreasing distance, has a slightly conical shape and a conical intermediate supporting wall, can significantly reduce the deformation of the lower bottom at high values of maximum combustion pressures.

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. Coolant enters through eight bypass holes 20 into the annular additional cavity 15, from where through the tapering space between the dividing wall 8 and the lower bottom 3, channels 17 or 18 into the cavity 16 and the hole 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. The presence of a tapering space stabilizes the flow of fluid and prevents the formation of vortex, stagnant zones, and the presence of a significant volume of the cavity 16 stabilizes the flow of fluid in the Central zone of the cooling cavity.

Предложенное соотношение площадей отверстия 9 и каналов 17, 18 дополнительно препятствует возникновению отрывных течений. The proposed ratio of the area of the hole 9 and the channels 17, 18 further prevents the occurrence of separated flows.

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. The implementation of the power circuit in the proposed manner and the organization of confuser flows of coolant with a uniform distribution around the perimeter of the cylinder head can significantly reduce mechanical and thermal stresses in the central part of the firing base and relieve stress from the upper bottom.

В настоящее время изготовлены опытные экземпляры предлагаемой головки, проведены испытания на дизеле. Подтверждена высокая надежность и работоспособность ГЦ. Currently, prototypes of the proposed head have been manufactured, diesel tests have been carried out. Confirmed the high reliability and performance of the GC.

Claims

1. HEAD OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE CYLINDER HEAD WITH LIQUID COOLING, comprising a cooling cavity formed by lower and upper bottoms connected by external walls, valve seats and a nozzle glass, a partition of the cavity made at the same time as the one with the lower walls around the nozzle glass and tides with wells for fastening elements of the head to the block, characterized in that it is provided with an intermediate supporting wall in the form of a truncated cone, more The novation of which is connected with the upper bottom of the head at the place of its transition to the outer wall, and the smaller with the dividing wall in the hole zone so that the diameter of the base of the cone coincides with the diameter of the hole in the wall, while the distance between the dividing wall and the fire bottom decreases towards the axis nozzle glass.

2. The cylinder head according to claim 1, characterized in that in the peripheral zone of the lower bottom there is an additional cooling cavity connected by channels to the cooling cavity around the nozzle glass, the area of the opening for the passage of liquid in the dividing wall being equal to or less than the total area of the said channels.