Блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением

Блок цилиндров ДВС с жидкостным охлаждением содержит образующие цилиндровые полости стенки, выполненные в виде пластинчатых элементов, объединенных в верхней части кольцевыми выступами с опорными и центрирующими поверхностями под установку цилиндровых втулок. В кольцевых выступах со стороны опорных поверхностей выполнены компенсирующие выемки с глубиной 1,0-1,5 мм и шириной, равной ширине опорной поверхности. Ориентация и протяженность компенсирующих выемок в блоке цилиндров определяются параллельной оси коленчатого вала хордой l дуги окружности с радиусом R, равным радиусу центрирующей поверхности кольцевого выступа, и центральным углом α, равным 35°-45°, связанными зависимостью . Изобретение позволяет повысить износостойкость деталей цилиндропоршневой группы двигателей и снижение в них удельного расхода топлива и смазочного масла на угар. 17 ил.

 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в качестве основной корпусной детали двигателя внутреннего сгорания, а именно, в качестве блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением.

Овальность цилиндровых втулок, возникающая в процессе сборки двигателей, существенно снижает износостойкость деталей цилиндропоршневой группы двигателей и повышает удельный расход в них топлива и смазочного масла на угар.

Известны блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, содержащие образующие цилиндровые полости стенки, выполненные в виде пластинчатых элементов, объединенных в верхней части кольцевыми выступами, имеющими опорные и центрирующие поверхности под установку цилиндровых втулок, также имеющих центрирующие и опорные поверхности, обеспечивающие передачу нагрузки от затяга силовых шпилек на стенки цилиндровых полостей блока (1. Чернышев Г.Д., Малышев А.А., Ханин Н. С. и др. Повышение надежности дизелей ЯМЗ и автомобилей КрАЗ. - М.: Машиностроение, 1974, с.106-111. 2. Григорьев М.А., Долецкий В.А. Обеспечение надежности двигателей. - М.: Издательство стандартов, 1978, с.212-219).

Однако использование известных блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением приводит к снижению износостойкости деталей цилиндропоршневой группы двигателей, повышению удельного расхода топлива и смазочного масла на угар вследствие различной нагруженности, жесткости и податливости стенок, образующих в блоке цилиндровые полости, представляющие собой статически неопределимые механические системы, в которых происходит частичное ослабление работы отдельных стенок, наступающее после затяга силовых шпилек, что является основной причиной, вызывающей овальность цилиндровых втулок в процессе сборки двигателей.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, содержащий образующие цилиндровые полости стенки, выполненные в виде пластинчатых элементов, объединенных в верхней части кольцевыми выступами, имеющими опорные и центрирующие поверхности под установку цилиндровых втулок, также имеющих центрирующие и опорные поверхности, обеспечивающие передачу нагрузки от затяга силовых шпилек на стенки цилиндровых полостей блока. В блоке цилиндровые втулки зажаты по верхнему бурту, а установка их по верхним и нижним центрирующим поверхностям осуществляется с зазором. Поэтому цилиндровые втулки могут быть изготовлены сравнительно тонкостенными, однако для жесткости конструкции приходится увеличивать толщину стенок цилиндровых полостей блока для уменьшения возникающей в процессе сборки двигателя овальности цилиндровых втулок (Хрулев А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. - М.: Издательство "За рулем", 2000. - с.25-26).

Использование блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, выбранного в качестве прототипа, также приводит к снижению износостойкости деталей цилиндропоршневой группы, повышению удельного расхода топлива и смазочного масла на угар, потому что от затяга силовых шпилек в процессе сборки двигателя возникает овальность цилиндровых втулок и применяемые меры по устранению этого дефекта не исключают самой причины возникновения овальности, поскольку не изменяют деформативных свойств механической системы блок цилиндров - цилиндровая втулка потому, что в данном случае имеет место взаимодействие внешней нагрузки и перемещений: не только перемещения зависят от нагрузки, но и сама нагрузка меняется в зависимости от перемещений (1. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем. - М.: Наука, 1967, с.28-47. 2. Феодосьев В.И. Десять лекций - бесед по сопротивлению материалов. - М.: Наука, 1969, с.24-26).

Задачей настоящего изобретения является повышение износостойкости деталей цилиндропоршневой группы двигателей и снижение в них удельного расхода топлива и смазочного масла на угар за счет устранения причины возникновения овальности цилиндровых втулок в процессе сборки двигателей путем изменения деформативных свойств системы блок цилиндров - цилиндровая втулка.

Для достижения названного технического результата в блоке цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, содержащем образующие цилиндровые полости стенки, выполненные в виде пластинчатых элементов, объединенных в верхней части кольцевыми выступами, имеющими опорные и центрирующие поверхности под установку цилиндровых втулок, в кольцевых выступах со стороны опорных поверхностей выполнены компенсирующие выемки с глубиной 1,0-1,5 мм и шириной, равной ширине опорной поверхности кольцевого выступа. При этом ориентация и протяженность компенсирующей выемки в блоке цилиндров определены параллельной оси коленчатого вала хордой l дуги окружности с радиусом R, равным радиусу центрирующей поверхности кольцевого выступа, и центральным углом α, равным 35°-45°, связанными зависимостью:

Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения достаточна и необходима для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата - поставленной задачи. Так, в процессе сборки двигателя компенсирующие выемки предупреждают возникновение овальности цилиндровых втулок, а на работающем двигателе предупреждают возникновение сложных колебаний стенок блока и цилиндровых втулок за счет того, что вектор затяга силовых шпилек в блоке остается параллельным своему первоначальному направлению.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением с цилиндровыми втулками, продольный разрез А-А в вертикальной плоскости по оси коленчатого вала; на фиг.2 - блок цилиндров, продольный разрез Б-Б в горизонтальной плоскости, цилиндровые втулки не показаны; на фиг.3 - блок цилиндров, поперечный разрез В-В в вертикальной плоскости по оси цилиндровой полости, цилиндровые втулки не показаны; на фиг.4 - блок цилиндров, продольный разрез в вертикальной плоскости, вид Г на стенку цилиндровой полости, ориентированную параллельно оси коленчатого вала, цилиндровые втулки не показаны; на фиг.5 - блок цилиндров, вид сверху на опорные поверхности кольцевых выступов с компенсирующими выемками, цилиндровые втулки не показаны; на фиг.6 - блок цилиндров, поперечный разрез В-В в вертикальной плоскости по оси цилиндровой полости, показаны цилиндровые втулки; на фиг.7 - закон нагрузки q((ϕ), передающейся на бурт цилиндровой втулки от затяга силовых шпилек в блоке - прототипе; на фиг.8 - блок цилиндров, поперечный разрез в вертикальной плоскости по оси цилиндровой полости, условия взаимодействия бурта цилиндровой втулки с опорной поверхностью кольцевого выступа после затяга силовых шпилек в блоке-прототипе; на фиг.9 - закон нагрузки q=const, передающейся на бурт цилиндровой втулки от затяга силовых шпилек в предлагаемом изобретении; на фиг.10 - блок цилиндров, поперечный разрез в вертикальной плоскости, условия взаимодействия бурта цилиндровой втулки с опорной поверхностью кольцевого выступа после затяга силовых шпилек в предлагаемом изобретении; на фиг.11 - схема нагружения бурта цилиндровой втулки, учитывающая различную степень податливости пластинчатых элементов, образующих цилиндровые полости в блоке; на фиг.12 - схема нагружения бурта цилиндровой втулки той частью от общей нагрузки q(ϕ), которая с интенсивностью q₀ изменяется по закону q₀=const; на фиг.13 - схема нагружения бурта цилиндровой втулки той частью от общей нагрузки q(ϕ), которая с интенсивностью q₁ изменяется по закону q₁(cosϕ); на фиг.14 - условия равновесия половины бурта цилиндровой втулки, позволяющие определить изгибающий момент X₁ методом сил; на фиг.15 - условия равновесия бурта цилиндровой втулки в произвольном сечении, позволяющие рассчитать бурт цилиндровой втулки на изгиб и кручение методом сил; на фиг.16 - эпюры изгибающих и крутящих моментов , возникающих в сечениях бурта цилиндровой втулки при нагружении его по схеме, показанной на фиг.12; на фиг.17 - эпюры изгибающих и крутящих моментов , возникающих в сечениях бурта цилиндровой втулки при нагружении его схемы, показанной на фиг.13.

Блок цилиндров 1 двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением (фиг.1) содержит образующие цилиндровые полости 2 стенки (фиг.2), выполненные в виде пластинчатых элементов, объединенные в верхней части кольцевыми выступами 3 (фиг.3), имеющими опорные 4 и центрирующие 5 поверхности под установку цилиндровых втулок 6 (фиг.1). В кольцевых выступах 3 (фиг.3) со стороны опорных поверхностей 4 выполнены компенсирующие выемки 7 с глубиной h, равной 1,0-1,5 мм (фиг.3) и шириной, равной ширине опорной поверхности 4 (фиг.5). Ориентация и протяженность компенсирующей выемки 7 в блоке цилиндров определяются параллельной оси коленчатого вала хордой l дуги окружности с радиусом R, равным радиусу центрирующей поверхности 5 кольцевого выступа 3, и центральным углом α, связанными зависимостью (1) (фиг.4, 5).

Глубина h компенсирующей выемки 7 определяется из заданного условия отсутствия контакта между буртом 8 цилиндровой втулки 6 и поверхностью этой выемки 7 (фиг.10), при этом оптимальная величина h составляет 1,0-1,5 мм, исходя из обеспечения минимальной трудоемкости изготовления блоков цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Оптимальная величина центрального угла α, равная 35°-45°, характеризующего протяженность компенсирующей выемки 7, определяется из условия, что вектор затяга силовых шпилек должен оставаться параллельным своему первоначальному направлению (см. фиг.10). Радиус R₁ определяется размерами режущего инструмента при выполнении компенсирующей выемки 7.

В соответствии с внешним проявлением овальности цилиндровых втулок 6 в процессе сборки двигателей решается задача построения физической картины поведения полей деформации стенок цилиндровых полостей 2 блока 1 и втулок 6.

Условия работы цилиндропоршневой группы, как и двигателя в целом, во многом определяются конструктивным исполнением блока цилиндров 1 в сборе с цилиндровыми втулками 6, оцениваются величиной овальности 0,02...0,09 мм, возникающей в цилиндровых втулках 6 при затяге силовых шпилек в блоке 1 в процессе сборки двигателя (1. Взоров Б.А. Исследование причин деформации гильз при сборке двигателей/Б.А.Взоров, Е.В.Исаев, В.А.Коржаков и д.р.//Тракторы и сельхозмашины. - 1967. - №12. - С.13-18. 2. Гоголицын М.А. Влияние овальности цилиндров на показатели работы дизеля с воздушным охлаждением/М.А.Гоголицын, В.П.Овчинников//Сборник научных трудов. - Иваново: Владимир: Ивановский энергетический институт, 1972. - Вып. 24. - С.5-9. 3. Симдянкин А.А. Причины деформации гильз цилиндров дизеля КамАЗ/А.А.Симдянкин//Автомобильная промышленность. - 2001. - №4. - С.30-32. 4. Яхьяев Н.Я. Прогнозирование искажений формы рабочих поверхностей втулок цилиндров дизелей при сборке/Н.Я.Яхьяев//Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2002. - №5. - С.72-77).

Для снижения овальности цилиндровых втулок 6 учитывается поведение сил в процессе деформирования системы блок цилиндров - цилиндровая втулка. Несмотря на малость смещений (0,02-0,09 мм), форму блока 1, а также форму цилиндровой втулки 6 при нагружении в процессе сборки двигателя следует отнести к категории меняющихся существенным образом. При этом новая форма цилиндровой втулки 6 остается неизвестной, пока в ней не определены внутренние силовые факторы, зависящие в свою очередь от новой геометрической формы блока 1. Поэтому внутренние силовые факторы в цилиндровой втулке 6 определяются только с учетом возникающей деформации блока 1.

Затяг силовых шпилек нагружает опорный бурт 8 цилиндровой втулки 6 и совершает работу против сил упругости, возникающих в пластинчатых элементах блока (фиг.1; фиг.6). Бурт 8 цилиндровой втулки 6 рассматривается как кольцо, опорами которого являются пластинчатые элементы, образующие в блоке 1 отдельную цилиндровую полость 2 (фиг.2). В этой механической системе закон нагрузки, передающейся на кольцо, зависит от соотношения податливостей пластинчатых элементов, служащих опорами кольца. Следовательно, изгибающие и крутящие моменты, а значит и напряженное состояние кольца определяются не непосредственно силами затяга шпилек, а теми деформациями, которые возникают в пластинчатых элементах блока 1. В связи с этим вводится определенность, касающаяся соотношений податливостей (или жесткостей, что то же) пластинчатых элементов в блоке 1. Жесткость представляется здесь как отношение силового фактора к соответствующему перемещению, а податливость характеризуется величиной, обратной жесткости. В известных аналогах конструкций блоков цилиндров жесткость пластинчатых элементов, ориентированных параллельно оси коленчатого вала, примерно в два раза больше, а нагруженность - в два раза меньше, чем, соответственно, жесткость и нагруженность пластинчатых элементов, ориентированных перпендикулярно к названной оси. При этом величина соотношений податливостей пластинчатых элементов в блоке 1 в каждом конкретном случае может быть строго установлена экспериментально.

За точку отсчета принимается тот факт, что в цилиндровой полости 2 блока 1, как в отдельной замкнутой статически неопределимой системе происходит частичное ослабление работы пластинчатого элемента, ориентированного перпендикулярно к оси коленчатого вала. Следовательно имеет место взаимовлияние внешней нагрузки и перемещений: не только перемещения зависят от нагрузки, но и сама нагрузка меняется в зависимости от перемещений и следовательно, закон нагрузки, которая передается на кольцо, определяется функцией q=q(ϕ), где ϕ - центральный угол, отсчитываемый от оси O₂-О₂, ориентированной перпендикулярно к оси коленчатого вала. Таким образом, учитывается различная степень жесткости стенок блока, которую нельзя разделить только посредством измерения их статической податливости. В соответствии с этим на расчетной схеме (фиг.11) пластинчатые элементы блока 1, ориентированные параллельно оси коленчатого вала, как обладающие повышенной жесткостью, представлены моделью стержня, работающего по схеме консольной балки, где α - длина консоли.

На этом основании анализ можно ограничить рассмотрением системы с не слишком сильным возмущением, сохранив при этом все существенное в результатах. Это позволяет пренебречь величинами второго порядка малости, а именно, раскладывая функцию q=q(ϕ) в ряд и ограничиваясь двумя его членами, можно принять, что:

Определим внутренние силовые факторы, возникающие в кольце, если оно нагружено указанной распределенной нагрузкой. Используя принцип независимости действия сил, расчленим нагрузку на две части и рассмотрим две схемы нагружения (фиг.12; фиг.13).

При нагружении кольца по схеме (фиг.12) между усилиями, действующими на пластинчатые элементы, которые служат опорами кольца, и нагрузкой q₀ существует следующая зависимость, вытекающая из условия равновесия половины кольца:

Подобным же образом согласно схеме нагружения (фиг.13) определим усилия P₁, передающиеся на пластинчатые элементы блока 1 при действии распределенной нагрузки q₁|cosϕ|:

Рассматривая кольцо как плоскопространственную статически неопределимую систему, можно утверждать, что при нагрузке, перпендикулярной плоскости кольца, эта система трижды статически неопределима и в месте разреза кольца возникают неизвестные X₁, X₂, Х₃ (три внутренних силовых фактора в плоскостях, перпендикулярных плоскости кольца: изгибающий момент X₁, крутящий момент Х₂ и поперечная сила Х₃). Эти внутренние силовые факторы при расчете кольца методом сил можно принять за неизвестные; если провести разрез по оси О₂-О₃, проходящей через пластинчатые элементы, ориентированные параллельно оси коленчатого вала, расчленив нагрузки Р пополам, то вследствие симметрии нагружения в сечении будут отсутствовать кососимметричные силовые факторы Х₂ и Х₃. Неизвестным останется только изгибающий момент X₁.

На фиг.14 изображена половина рассматриваемого кольца. Так как приложенная к кольцу нагрузка симметрична также и относительно оси O₁-O₁ (фиг.12-13), то изгибающие моменты X₁ в обоих сечениях равны между собой. В этом случае моменты X₁ найдем из условия равновесия половины кольца. Составляя уравнение моментов относительно оси О₂-О₂, получим:

откуда

В сечении кольца, расположенном под углом ϕ к оси O₂-O₂ (фиг.15) возникают:

1) изгибающие моменты:

2) крутящие моменты:

где α - длина консоли (см. фиг.11).

Подставляя в зависимости (6) и (7) значения моментов X₁ сил Р₀, P₁ и из соотношений (3), (4) и (5) получаем:

Согласно уравнениям (8) и (9) для случая, когда a=0,4R, на фиг.16 и фиг.17 изображены эпюры изгибающих и крутящих моментов, возникающих в сечениях кольца при загружении его по соответствующим схемам нагружений (фиг.12; фиг.13).

Располагая значениями внутренних силовых факторов, можно провести расчет опорного бурта 8 цилиндровой втулки 6 (как опорного кольца) на прочность и жесткость по методам, разработанным в сопротивлении материалов. Однако более значимым является тот факт, что опорный бурт 8 втулки 6 меняет свою конфигурацию в соответствии с эпюрами и (фиг.16; фиг.17). Эта конфигурация теперь является неотъемлемой физической характеристикой механической системы, в которой имеет место взаимовлияние внешней нагрузки и перемещений: не только перемещения зависят от нагрузки, но и сама нагрузка меняется в зависимости от перемещений (фиг.7). Эта нагрузка не остается безучастной к изменениям формы системы и как бы "следит" за ее изменениями. Так сила Р следит за изменением конфигурации бурта 8 цилиндровой втулки 6, а возникающие при этом две ее составляющие - вертикальная и горизонтальная силы - обе способствуют возникновению овальности в цилиндровых втулках 6 в известных аналогах в процессе сборки двигателей (фиг.8).

В свою очередь на работающем двигателе вследствие мгновенных скачков изменений величин и направлений рассматриваемых сил, ими возбуждается большое разнообразие колебательных движений. Это разнообразие обусловлено не действием внешних сил, а тем деформированным состоянием механической системы блок цилиндров - цилиндровая втулка, которое возникает от затяга силовых шпилек в процессе сборки двигателей.

Поэтому процедура сравнительных испытаний поршневых колец различного конструктивного исполнения, направленная на повышение износостойкости деталей цилиндропоршневой группы двигателей и на снижение удельного расхода топлива и смазочного масла на угар в них, приносит ограниченную пользу. Совершенно иное положение имеет место при наличии в блоке цилиндров 1 компенсирующих выемок 7: закон совместного деформирования бурта 8 цилиндровой втулки 6 и стенки цилиндровой полости 2, ориентированной перпендикулярно оси коленчатого вала, становится теперь зависимым от деформации той части бурта 8 цилиндровой втулки 6, которая располагается в местах компенсирующих выемок 7 в блоке 1. Тем самым изменяются деформативные свойства системы блок цилиндров - цилиндровая втулка, суть которых сводится к следующему. Вектор затяга силовых шпилек в блоке 1 остается параллельным своему первоначальному направлению. Вследствие этого в процессе сборки двигателей не возникает овальности цилиндровых втулок 6, а на работающем двигателе не возникает сложных колебаний стенок блока и цилиндровых втулок 6. Колебательная система блок цилиндров - цилиндровая втулка становится простой в том отношении, что имеет только одну значимую переменную - амплитуду импульса газовых сил в цилиндре.

Таким образом, повышение износостойкости деталей цилиндропоршневой группы двигателей и снижение в них удельного расхода топлива и смазочного масла на угар достигается за счет изменения деформативных свойств системы блок цилиндров - цилиндровая втулка путем введения в блоке компенсирующих выемок.

Доступность осуществления предлагаемого изобретения позволяет получить значительный экономический эффект и достичь удовлетворения автотранспортом современных экологических требований.

Блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, содержащий образующие цилиндровые полости стенки, выполненные в виде пластинчатых элементов, объединенных в верхней части кольцевыми выступами, имеющими опорные и центрирующие поверхности под установку цилиндровых втулок, отличающийся тем, что в кольцевых выступах со стороны опорных поверхностей выполнены компенсирующие выемки глубиной 1,0-1,5 мм и шириной, равной ширине опорной поверхности кольцевого выступа, при этом ориентация и протяженность компенсирующей выемки определены параллельной оси коленчатого вала хордой l дуги окружности радиусом R, равным радиусу центрирующей поверхности кольцевого выступа, и центральным углом α, равным 35-45°, связанными зависимостью