Блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания

(12) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ БЛОК ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ(73) Патентообладатель Буркевич Галина Григорьевна(57) 1. Блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус и установленные внутри его в ряд цилиндры, а также каналы для охлаждающей жидкости, причем верхняя часть блока снабжена плоскостью разъема с головкой цилиндров, расстояние между осями цилиндров выполнено меньше, чем наружный диаметр цилиндров, а стенки цилиндров выполнены с образованием плоских каналов между наружными поверхностями стенок рядом расположенных цилиндров, отличающийся тем, что цилиндры ряда изготовлены в виде одной детали и каждый цилиндр снабжен сухой гильзой, при этом протяженность плоских каналов составляет величину от 0,2 до 0,5, где- внутренний диаметр цилиндра, а наименьшая величина толщины стенки цилиндра па протяженности канала выполнена в пределах от 0,4 до 0,8 номинальной величины. Фиг. 1 2. Блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что по высоте детали блока цилиндров выполнено несколько плоских каналов с перемычками между ними, при этом верхний плоский канал выполнен на расстоянии от 0,25 до 0,4 от верхней плоскости блока цилиндров.(56) 1. Двигатели внутреннего сгорания Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А. С. Орлина и М. Г. Круглова. - М. Машиностроение, 1980. 2. Дизели Д-240, 245 и их модификации Техн. описание и инструкция по эксплуатации. Минский моторный завод. - Мн. Ураджай, 1986. 3. А. с. СССР 1837112, МПК 01 3/02, 1990. 4. А. с. СССР 1583646, МПК 01 1/02, 1986. 5. А. с. СССР 1749505, МПК 01 3/10, 1990 (прототип). Полезная модель относится к двигателестроению и касается усовершенствования системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Известно, что с целью снижения габаритов и массы двигателя межцилиндровое расстояние делают минимально возможным. Это расстояние, для определенного диаметра цилиндра зависит, главным образом, от типа гильз цилиндров - вставные сменные мокрые или тонкостенные запрессованные сухие 1. Применение вставных сменных мокрых гильз в силу известных конструктивных особенностей обусловливает большее расстояние между осями цилиндров. Конструктивное выполнение блока цилиндров с сухими гильзами позволяет, в сравнении с вставными мокрыми гильзами, уменьшить расстояние между осями цилиндров. Это расстояние при заданном диаметре цилиндра определяется толщиной стенок рубашки цилиндра,толщиной стенки сухой гильзы и проходным сечением для охлаждающей жидкости. Известные системы жидкостного охлаждения имеют характерную конструкцию блока цилиндров, в которой вокруг цилиндров образована рубашка для охлаждающей жидкости. В рубашку охлаждения жидкость подают от радиатора системы охлаждения через распределительные каналы. Жидкость омывает цилиндры в поперечном направлении, затем поступает на охлаждение головки блока цилиндров и отводится в радиатор. Такая система обеспечивает необходимую интенсивность охлаждения горячих деталей двигателя и обеспечивает гибкость управления ее работой. Однако, известные конструкции блоков цилиндров имеют ограничения но диаметру цилиндров при заданных габаритах в силу необходимости обеспечивать заданные толщины стенок и проходного сечения для жидкости. Кроме того, часть стенок рядом расположенных цилиндров оказывается в неблагоприятных условиях по охлаждению тепловыделения от рядом расположенных цилиндров накладываются, а отвод тепла остается примерно таким же, как и для остальной части стенки по периметру цилиндра, что вызывает дополнительные темпереатурные напряжения и снижает надежность работы. Известны различные технические решения системы охлаждения ДВС, например, конструкция блока цилиндров и система охлаждения дизеля Д-245, выпускаемого Минским моторным заводом 2. Этот двигатель оборудован жидкостной системой охлаждения с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости от центробежного насоса, что позволяет обеспечить его надежную работу в широком диапазоне условий эксплуатации. Однако, использованная в этом двигателе конструкция блока цилиндров с мокрой гильзой ограничивает возможности модернизации путем увеличения диаметра цилиндров и соответствующего увеличения мощности. Системы охлаждения ДВС усиленно совершенствуются. Например, в 3 по высоте цилиндра рубашка охлаждения разделена на две изолированные уплотнением полости. Нижняя охлаждается маловязкой охлаждающей жидкостью - вода, антифриз, а верхняя - моторным маслом, что позволяет обеспечить повышенную эффективность охлаждения верхней, наиболее нагретой зоны цилиндра. Однако, при использовании этого технического решения для серийно выпускаемых двигателей проявляются существенные недостатки этой конструкции. Увеличивается сложность системы смазки и конструкции блока цилиндров, что повышает стоимость изготовления. Кроме того, традиционная конструкция многоцилиндрового двигателя приводит к ограничениям но габаритам, описанным выше, что предопределило неиспользование изобретения в выпускаемых в настоящее время двигателях. Известны также системы воздушного охлаждения ДВС с уменьшенным расстоянием, между осями цилиндров, например, по 4. Известная из этого изобретения конструкция блока цилиндров имеет уменьшенное расстояние между осями рядом расположенных цилиндров при увеличенной эффективности охлаждения за счет использования дополнительного вертикального ребра охлаждения на наружной поверхности цилиндра. Однако, это техническое решение не может быть использовано в двигателе с жидкостной системой охлаждения. Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемому по совокупности существенных признаков является система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, по 5, принятая авторами за прототип. 2 88 Принятый за прототип объект в части конструкции блока цилиндров представляет собой блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания, содержащий корпус и установленные внутри его в ряд цилиндры, а также каналы для охлаждающей жидкости, причем верхняя часть блока снабжена плоскостью зъема с головкой цилиндров, расстояние между осями цилиндров выполнено меньше, чем наибольший наружный диаметр цилиндров в верхней зоне, а стенки цилиндров в верхней зоне выполнены с образованием плоских каналов между наружными поверхностями стенок рядом расположенных цилиндров. Принятый за прототип блок цилиндров обеспечивает повышенную эффективность охлаждения наиболее нагретой верхней зоны цилиндров, что повышает надежность работы. Однако принятый за прототип блок цилиндров имеет существенный недостаток, заключающийся в том,что блок цилиндров выполнен с отдельными мокрыми гильзами, а это приводит к недостаточной жесткости конструкции, к увеличению толщины стенок, к увеличению габаритов и снижает технологические возможности модернизации двигателя путем увеличения внутреннего диаметра цилиндров. Задачей предлагаемого технического решения является уменьшение расстояния между осями цилиндров и соответственно увеличить внутренний диаметр цилиндров в сравнении с известными техническими решениями, примененными на современных моделях двигателей. Предлагаемое техническое решение позволяет получить максимальный рабочий объем, а следовательно, и повысить мощность при модернизации двигателей со сменными мокрыми гильзами цилиндров путем перехода на сухие. Кроме того, за счет оптимизации теплообмена между поверхностями смежных цилиндров и охлаждающей жидкостью повышается надежность работы двигателей и их долговечность. В результате решения этой задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в том, что разработана конструкция блока цилиндров для серийно выпускаемых Минским моторным заводом дизельных двигателей Д-245, которая позволяет без существенного изменения технологии изготовления и сохранении существующих габаритов увеличить диаметр цилиндров до 120 мм и тем самым увеличить на 19 мощность двигателя. При этом надежность работы цилиндропоршневой группы двигателей увеличивается. Данный технический результат достигнут тем, что в блоке цилиндров двигателя внутреннего сгорания,содержащем, корпус и установленные внутри его в ряд цилиндры, а также каналы для охлаждающей жидкости, причем верхняя часть блока снабжена плоскостью разъема с головкой цилиндров, расстояние между осями цилиндров выполнено меньше, чем наружный диаметр цилиндров, а стенки цилиндров выполнены с образованием плоских каналов между наружными поверхностями стенок рядом расположенных цилиндров,согласно предлагаемому техническому решению, цилиндры ряда изготовлены в виде одной детали и каждый цилиндр снабжен сухой гильзой, при этом протяженность плоских каналов составляет величину от 0,2 до 0,5, где- внутренний диаметр цилиндра, а наименьшая величина толщины стенки цилиндра на протяженности канала выполнена в пределах от 0,4 до 0,8 номинальной величины. Кроме того, по высоте детали блока цилиндров может быть выполнено несколько плоских каналов с перемычками между ними, при этом верхний плоский канал выполнен па расстоянии от 0,25 до 0,4 от верхней плоскости блока цилиндров. Отличительной особенностью заявляемого технического решения является то, что цилиндры ряда изготовлены в виде одной детали, например, литьем с последующей механической обработкой, и каждый цилиндр снабжен сухой гильзой, например, запрессованной в цилиндр, при этом протяженность плоских каналов составляет величину от 0,2 до 0,5, где- внутренний диаметр цилиндра, а наименьшая величина толщины стенки цилиндра на протяженности канала выполнена в пределах от 0,4 до 0,8 номинальной величины. Такое решение позволяет разделить функции, выполняемые цилиндром двигателя между деталью, на наружных поверхностях которой сформированы поверхности отвода тепла, выделяющегося в цилиндре, и сухой гильзой, которая взаимодействует с рабочим телом и поршнем, воспринимает основные нагрузки при работе двигателя. Разделение функций позволяет оптимизировать их выполнение путем выбора соответствующих материалов, конструктивных размеров и формирования поверхностей охлаждения. В итоге заявляемое техническое решение позволяет получить максимальный рабочий объем цилиндров при заданных габаритах двигателя, что повышает мощность. Выполнение цилиндров одного ряда в виде одной детали при снабжении каждого цилиндра сухой гильзой упрощает конструкцию деталей, снижает стоимость изготовления блока. Кроме того, использование сухой гильзы, воспринимающей механические и температурные нагрузки, позволяет уменьшить толщину стенки цилиндра. Выполнение между рядом размещенными цилиндрами плоских каналов протяженностью от 0,2 до 0,5, где- внутренний диаметр цилиндра, при наименьшей величине толщины стенки цилиндра на протяженности канала в пределах от 0,4 до 0,8 номинальной величины, позволяет оптимизировать теплообмен между поверхностями смежных цилиндров и охлаждающей жидкостью, повысить надежность работы двигателей и их долговечность. Расчеты авторов показали, что при выполнении плоских каналов протяженностью менее 0,2 сохраняется неравномерность распределения температуры по периметру стенки цилиндра, вызванная влиянием тепловою потока от рядом расположенного цилиндра. При выполнении плоских каналов протяженностью более 0,5 эффект увеличения коэффициента теплоотдачи от стенки цилиндра к жидкости, протекающей в 3 88 плоском канале, становится несущественным для выравнивания поля температур, а необходимость увеличения при этом толщины стенки цилиндра приводит к неоправданному увеличению габарита. Выполнение наименьшей величины толщины стенки цилиндра на протяженности канала менее 0,4 номинальной величины ухудшает технологические характеристики детали, в которой формируют цилиндры двигателя и которую получают литьем. Кроме того, недопустимо снижаются характеристики прочности стенки цилиндра. При выполнении наименьшей величины толщины стенки цилиндра на протяженности канала свыше 0,8 от номинальной величины не удается обеспечить необходимую для выравнивания поля температур протяженность плоского капала, а обеспечение этой характеристики за счет увеличения толщины стенки цилиндра, как это уже упоминалось, не целесообразно. В заявляемом блоке цилиндров плоские каналы формируют при изготовлении отливки детали всего ряда цилиндров, что является дополнительным преимуществом предложенного технического решения, т. к. упрощает технологию изготовления. Другой отличительной особенностью заявляемого технического решения является то, что по высоте детали блока цилиндров может быть выполнено несколько плоских каналов с перемычками между ними, при этом верхний плоский канал выполнен на расстоянии от 0,25 до 0,4 от верхней плоскости блока цилиндров. Такое решение позволяет обеспечить увеличение жесткости детали ряда цилиндров в плоскости, проходящей через оси цилиндров, при этом обеспечивается надежное охлаждение верхней, наиболее нагретой части цилиндров, что уменьшает термические деформации и повышает надежность работы. При выполнении верхнего плоского канала на расстоянии менее 0,25 от верхней плоскости блока цилиндров ощутимо снижается эффективность отвода тепла от верхней, наиболее нагретой зоны цилиндра, в особенности при разделении потока охлаждающей жидкости (что технически осуществимо в заявляемом техническом решении и известно из уровня техники) на поток, охлаждающий верхнюю зону цилиндра, и на поток, охлаждающий нижнюю зону. Выполнение верхнего плоского канала на расстоянии свыше 0,4 от верхней плоскости блока цилиндров технически нецелесообразно, так как на этом расстоянии горячая зона цилиндра уже заканчивается, а эффект повышения прочности и жесткости за счет наличия перемычек у детали, в которой выполнены цилиндры,снижается. Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого технического решения в сравнении с существующими конструкциями позволяют снизить стоимость изготовления, упростить конструкцию деталей блока и увеличить диаметр цилиндров при сохранении габаритов, позволяют повысить надежность работы двигателя за счет увеличения жесткости конструкции и улучшения охлаждения зоны между смежными цилиндрами. На фиг. 1 представлено продольное сечение заявляемого блока цилиндров. На фиг. 2 представлено поперечное сечение А-А фиг. 1. На фиг. 3 представлено продольное сечение заявляемого блока цилиндров в варианте нескольких плоских каналов с перемычками между ними. Блок цилиндров содержит корпус 1 и установленные внутри его в рад цилиндры (на чертеже изображен ряд из двух цилиндров, но заявляемое техническое решение применимо для любого количества цилиндров в ряду), при этом цилиндры ряда изготовлены в виде одной детали 2, и каждый цилиндр снабжен сухой гильзой 3. Блок цилиндров содержит также каналы 4 для охлаждающей жидкости, причем верхняя часть блока снабжена плоскостью 5 разъема с головкой цилиндров (на чертежах не показана). Расстояние между осями цилиндров выполнено меньше, чем наружный диаметр цилиндров, а стенки цилиндров выполнены с образованием плоских каналов 6 между наружными поверхностями стенок рядом расположенных цилиндров. Наружные стенки цилиндров в межцилиндровых перемычках детали 2 выполнены плоскими и образуют между собой проходное сечение для охлаждающей жидкости. Протяженность плоских каналов 6 составляет величину от 0,2 до 0,5, где- внутренний диаметр цилиндра, а наименьшая величина толщины стенки цилиндра ц на протяженности канала выполнена в пределах от 0,4 до 0,8 номинальной величины. В варианте исполнения, показанном на фиг. 3, по высоте цилиндров выполнено несколько плоских каналов с перемычками 7 между ними, при этом верхний плоский канал выполнен на расстоянии от 0,25 до 0,4 от верхней плоскости 5 блока цилиндров. Заявляемый блок цилиндров работает следующим образом. При работе системы охлаждения двигателя охлаждающая жидкость по каналам 4 поступает к наружным поверхностям детали 2, в которой выполнены цилиндры. В известных конструкциях скорость охлаждающей жидкости увеличивается при обтекании смежных цилиндров и достигает максимального значения в диаметральной плоскости цилиндров, а затем снова резко надает. Поэтому оптимизировать се, с точки зрения наи 4 88 более эффективного охлаждения цилиндров в зоне между цилиндрами, невозможно. Выполнение плоского проходного канала 6 с практически постоянным сечением (с учетом литейных уклонов) по всей его длине позволяет оптимизировать теплообмен в зоне наибольшей отдачи тепла от двух смежных поверхностей цилиндров. Пройдя через полости рубашки охлаждения блока цилиндров, жидкость поступает в головку цилиндров и отводится затем в радиатор системы охлаждения. В случае конструктивного исполнения, приведенного на фиг. 3, жидкость проходит через несколько плоских каналов 6, при этом в верхнем канале, выполненном на расстоянии по высоте от 0,25 до 0,4 от верхней плоскости 5 блока цилиндров, отводится тепло от наиболее нагретой части цилиндров. В связи с тем, что перемычки 7 выполнены на сравнительно малой по высоте протяженности, они не вызывают заметного искажения температурного поля в цилиндрах и сухих гильзах 3. В то же время перемычки 7 увеличивают прочность и жесткость конструкции детали 2, в которой выполнены цилиндры, что повышает надежность работы. В таблице приведены значения размеров в миллиметрах при различных внутренних диаметрах сухих гильз цилиндров -расстояния между осями цилиндров - , толщины стенок детали блока цилиндров -ц,толщины стенок сухих гильз - г, толщины стенок цилиндров в плоскости, проходящей через оси цилиндров- ц, расстояние между внутренними стенками двух смежных цилиндров в плоскости, проходящей через оси цилиндров - п, ширины канала между цилиндрами для прохода охлаждающей жидкости - Вк, наружнего диаметра цилиндра - цн, которые рассчитаны авторами для двигателей сот 90 до 150 мм. Из таблицы следует, что при расстоянии между осями цилиндров - 136,8 мм (137 мм) можно вписать внутренний диаметр сухой гильзы 120 мм при толщине стенки 3 мм, при этом толщина стенки детали блока цилиндра в литье - 5,5 мм, а минимальная толщина в диаметральной плоскости, проходящей через оси цилиндров - 3 мм и ширина канала для прохода охлаждающей жидкости - 4,8(5) мм, что вполне соответствует возможностям современных технологий. При этом, если перейти с размерности 110125 с мокрыми вставными гильзами при 137 мм на сухие гильзы 120 мм при неизменном 137 мм рабочий объем и мощность повысятся на 19 . Таким образом, заявляемый блок цилиндров ДВС в сравнении с известными блоками такого же назначения позволяет также получить максимальный рабочий объем в заданных габаритах, а следовательно, и повысить мощность при модернизации двигателей со сменными мокрыми гильзами цилиндров путем перехода на сухие. Кроме того, за счет оптимизации теплообмена между поверхностями смежных цилиндров и охлаждающей жидкостью и увеличения жесткости конструкции повышается надежность работы цилиндропоршневой группы двигателей и их долговечность. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.