Стержень для отливки компонента двигателя с рубашкой водяного охлаждения
Представлен стержень для отливки компонента двигателя с водяной рубашкой охлаждения, состоящий из множества отвержденных гранул объемной (например, сферической) формы, причем максимальный диаметр каждой гранулы составляет от примерно 1 мм до примерно 5 мм. Гранулы соединены между собой с помощью связующего вещества с образованием агломерата в форме рубашки водяного охлаждения, имеющего непрерывную сетевую структуру и обеспечивающую заранее заданную пористость пространства водяной рубашки компонента двигателя после отливки. Расплавленный металл, заливаемый в форму, проникает между гранулами, при этом образуются мостиковые соединения внутри рубашки водяного охлаждения. Стержень обеспечивает одновременное улучшение теплопередачи и механической прочности компонента двигателя.
Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к стержню для отливки из расплавленного металла компонентов двигателя, содержащих рубашки водяного охлаждения, состоящие из каналов для охлаждающей жидкости.
Уровень техники
Блоки цилиндров и головки цилиндров - это такие компоненты двигателей внутреннего сгорания, которые, как правило, изготавливают методом отливки из алюминиевого сплава в форме из отвержденных песчаных стержней. В качестве ближайшего аналога может быть рассмотрен, например, патент США 
6,899,064, в котором описан песчаный стержень для отливки блока цилиндров двигателя, содержащего водяную рубашку охлаждения.
Рубашки водяного охлаждения (каналы для охлаждающей жидкости), формируемые в блоках цилиндров и головках цилиндров при помощи существующих методов отливки приводят к вынужденному компромиссу между эффективностью теплового обмена, прочностью конструкции и жесткостью литой детали, что является недостатком известных методов. Рубашки водяного охлаждения обеспечивают тепловой обмен между компонентами двигателя и системой охлаждения. Для эффективной передачи тепла от непосредственно двигателя к охлаждающему агенту, протекающему через рубашку водяного охлаждения, водяную рубашку отделяют от источника тепла только тонкой стенкой из литого металла. Однако такие тонкие участки минимально поддерживаемого материала демонстрируют низкую прочность сопротивления механическим нагрузкам и нагрузкам, возникающим вследствие сгорания. Из-за недостаточности поддержки нагрузочная способность конструкции вблизи водяной рубашки может быть в значительной степени подвержена воздействию небольших изменений толщины материала между полостью водяной рубашки и цилиндром или камерой сгорания. В связи с отсутствием поддержки в области водяной рубашки, конструкционные требования могут вызывать необходимость использования материала с большей толщиной/объемом для обеспечения конструктивных характеристик, даже если меньшая толщина материала в большей степени обеспечит теплообмен и эффективность охлаждения.
Для улучшения прочностных характеристик рубашки охлаждения используют дополнительно устанавливаемые раздельные ребра. Подобная конструкция описана, например, в патентной заявке США 4616600. Однако такие ребра затрудняют проходимость потока в опорной зоне, а также склонны вызывать локальную концентрацию механического напряжения на критических участках.
Таким образом, существует необходимость уменьшения толщины стенки для повышения эффективности теплопередачи, и в то же время сохранения прочности стенки для улучшения механических характеристик.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является улучшение параметров теплового обмена отливаемой водяной рубашки с одновременным повышением ее механической прочности. Данный эффект достигается за счет того, что вместо монолитного стержня используют стержень, состоящий из относительно крупных гранул, пространство между которыми может быть заполнено металлом в процессе литья. В результате получают водяную рубашку с непрерывным и равномерным распределением материала и с множеством пустот, что позволяет обеспечить достаточное пространство для циркуляции жидкого охлаждающего средства и одновременно минимизировать концентрацию механического напряжения и одновременно обеспечить максимальную опору конструкции.
Предложен стержень, используемый при отливке компонента двигателя, содержащего водяную рубашку охлаждения. Для изготовления стержня формируют твердые гранулы из соответствующего материала, имеющие пространственную монолитную форму. При этом гранулы имеют по меньшей мере одну выпуклую поверхность для соединения с соседними гранулами, причем максимальный диаметр каждой гранулы составляет от примерно 1 мм до примерно 5 мм. Гранулы могут иметь по существу сферическую форму с максимальным диаметром от примерно 2 мм до примерно 4 мм. Отвержденные гранулы могут состоять из песка и первичного связующего вещества, или из соли.
На твердые гранулы наносят вторичное связующее вещество, соединяющее гранулы между собой в агломерат. Множество гранул агломерируют в исходной литейной форме в виде рубашки водяного охлаждения компонента двигателя, и отверждают вторичное связующее вещество, которое и формирует «органический» стержень с непрерывной сетевой структурой, обеспечивающей заранее заданную пористость пространства водяной рубашки результирующего компонента двигателя.
Агломерат может содержать группу гранул меньшего размера и группу гранул большего размера, где максимальный диаметр гранул большего размера больше максимального диаметра гранул меньшего размера. При этом гранулы могут быть агломерированы в исходной литьевой форме таким образом, что на центральном участке стержня сконцентрировано наибольшее количество гранул большего размера, а на краевых участках стержня сконцентрировано наибольшее количество гранул меньшего размера.
Остальные стержни формируют в соответствующих исходных формах для формирования соответствующих поверхностей компонента двигателя. «Органический» стержень собирают с остальными для формирования литейной формы. Компонент двигателя отливают из расплавленного металла, заливаемого в литейную форму, таким образом формируя цельный исходный металлический элемент, обеспечивающий перемычки рубашки водяного охлаждения и заданную пористость. После отливки стержневой материал удаляют из компонента двигателя.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показан вид в перспективе поперечного сечения блока двигателя, на котором видна внутренняя рубашка водяного охлаждения.
На Фиг.2 показана схема сборки стержней для образования литьевой формы.
На Фиг.3 приведена блок-схема процесса отливки, известная из уровня техники.
На Фиг.4 показана совокупность сферических гранул для формирования предложенного «органического» стержня.
На Фиг.5 приведена блок-схема, иллюстрирующая один из предпочтительных вариантов выполнения полезной модели.
На Фиг.6 показан вид в разрезе, иллюстрирующий отлитый блок двигателя.
На Фиг.7 показан вид в перспективе, иллюстрирующий гранулы различных размеров в различных областях «органического» стержня.
Осуществление полезной модели
Настоящая полезная модель в целом позволяет заменить некоторые или все литые рубашки водяного охлаждения на пористую металлическую отливку с пустотами внутри. Литье органического типа (OLC) подобно губке или медовым сотам, где материал и пустоты распределены по всей структуре. Объем потока жидкости (хладагента), проходящего через поры материала, зависит от структуры пор, проходящих через весь металлический элемент, и имеет заданное соотношение пустоты/объем (общий пространственный объем пустот, деленный на общий объем области рубашки водяного охлаждения). В стандартной рубашке водяного охлаждения соотношение пустоты/объем равно единице. Та же самая рубашка водяного охлаждения, полностью заполненная каким-либо материалом (например, эпоксидной смолой), будет иметь соотношение пустота/объем, равное нулю. Структура «органической» рубашки водяного охлаждения, в соответствии с настоящим описанием, имеет коэффициент пустоты/объем, находящийся в диапазоне от нуля до единицы, и соотношение структурных свойств и характеристик потока хладагента регулируют с помощью изменения данного коэффициента. При увеличении коэффициента увеличивается объем потока, но снижается прочность опорной конструкции. При понижении коэффициента, объем потока уменьшается, но при этом возрастает прочность опорной конструкции.
«Органическая» форма рубашки водяного охлаждения образуется с помощью формирования стержня рубашки в виде стержня «органического» типа с использованием дискретных сферических элементов или элементов иной геометрической формы, изготавливаемых из традиционных материалов, используемых для стержней. При контакте этих дискретных форм друг с другом оставшееся пространство задает структуру матрицы, которая сохранится в металле блока двигателя в литой детали. При использовании сфер для заполнения формы, увеличение диаметра сфер приводит к увеличению соотношения пустоты/объем, что увеличивает объем потока жидкого охлаждающего агента. При уменьшении диаметра сфер происходит обратное, пока размер сфер не станет равным размеру песчинок, и в конструкции не перестанут образовываться пустоты. Процесс «органической» отливки - это процесс целенаправленного и контролируемого создания пористых участков в литой детали.
Представленный стержень может быть получен в ходе двухэтапного процесса изготовления формы для отливки рубашек водяного охлаждения. Сначала должен быть сформирован и отвержден наполнитель (например, гранулы) в таком количестве, которое необходимо для заполнения формы для стержня. Гранулы могут быть образованы, например, в форме песочных шариковых подшипников. Затем форму заполняют этими затвердевшими элементами вместе с вторичным связующим агентом для связывания гранул друг с другом в стержне «органического» литья. Форма и размер гранул могут варьироваться в соответствии с требованиями для получения необходимого баланса между прочностью конструкции и объемом потока. Другие стержни для блока цилиндров формируют и отверждают отдельно с использованием стандартных материалов, затем собирают в единую конструкцию стержневого блока вместе с композитным стержнем для водяной рубашки. Окончательная конструкция затем может быть склеена и отверждена для соединения всех отдельных стержней вместе. Затем собранную конструкцию используют стандартным образом, также как и стандартный стержень для отливки блока двигателя.
В некоторых случаях может быть проблемой отрыв песочных стержней от блока двигателя или головки после отливки, за счет дискретности элементов и пористости рубашки водяного охлаждения. В подобных случаях возможно применение альтернативных наполнителей, таких как соль или иные материалы, растворимые в жидкости.
Готовая рубашка водяного охлаждения характеризуется низким значением соотношения пустоты/объем и в то же время имеет проходящую через всю деталь хорошо заданную, непрерывную поддерживающую матрицу из литого материала, имеющую превосходные характеристики прочности, при том, что обеспечивается достаточный поток для охлаждающей среды. Процесс «органического» литья и представленная конструкция стержня обладают преимуществом, которое состоит в том, что номинальная толщина стенки между рубашкой водяного охлаждения и цилиндром или камерой сгорания может быть значительно уменьшена благодаря тому, что конструкция имеет равномерную опору со стороны водяной рубашки без длинных безопорных секций с относительно тонкой стенкой, как в случае стандартной рубашки. Уменьшение номинальной толщины стенки обеспечивает значительное улучшение передачи тепла и позволяет более эффективно контролировать температуру материала внутри двигателя. Благодаря улучшенным структурным характеристикам в области водяной рубашки, толщина стенки может быть уменьшена для повышения эффективности охлаждения, но при этом общая прочность компонента существенно повышается за счет равномерной внутренней матрицы, сформированной таким образом.
Согласно Фиг.1, часть двигателя 10 включает в себя блок 11 цилиндров, содержащий поршневой узел 12. Блок 11 цилиндров показан частично в разрезе для иллюстрации водяной рубашки 13 между стенками 14 и 15. Охлаждающий агент, циркулирующий по водяной рубашке 13, отводит тепло, генерируемое при сгорании. Хотя на рисунке показан блок цилиндров, представленный принцип в равной степени может быть применен и к головкам цилиндров, а также любым другим литым компонентам, содержащим водяную рубашку или другие каналы для охлаждающего агента.
Блок 11 цилиндров может быть изготовлен с помощью процесса литья, в котором отдельные песчаные литейные стержни соединены в модуль для обозначения зон, которые будут заняты металлом блока цилиндров. После отливки, песок из стержней возвращается в свободную форму и может быть высыпан из блока цилиндров.
Как показано на Фиг.2, совокупность стержневых элементов 20-22 объединяют в стержневой модуль. Стандартный процесс отливки показан на Фиг.3. Каждый отдельный элемент стержня изготавливают на этапе 25 смешиванием песка, клея и отвердителя. На этапе 26 смесь заливают в форму для получения каждого отдельного элемента стержня, например, литейной формы водяной рубашки или канала охлаждения. Когда смесь находится в форме, на этапе 27 активирует отвердитель (например, с помощью нагрева смеси). После затвердевания, каждый элемент удаляют из формы на этапе 28. На этапе 29 стержни собирают в цельную литьевую форму. С использованием собранной формы затем на этапе 30 отливают блок двигателя. После других производственных этапов песок может быть удален на этапе 31.
Согласно известным способам, стержень, соответствующий водяной рубашке, представляет собой твердое тело, задающее пустое пространство рубашки. В предложенном стержне используют гранулы, агломерированные в общую форму рубашки, причем в стержне образуются равномерно расположенные пустоты, позволяющие проникать литьевому металлу для формирования пористого пространства рубашки водяного охлаждения. В одном из предпочтительных вариантов в агломерации могут быть использованы сферические или сфероподобные элементы. Различные пространственные твердые формы могут быть использованы в качестве гранул. Для того чтобы обеспечить равномерное распределение пустот по литой детали для пропускания потока охлаждающего агента, «органический» стержень имеет непрерывную сетевую структуру. Непрерывная сетевая структура может быть создана благодаря тому, что каждая гранула соприкасается с соседними гранулами. Для обеспечения должного контакта значительная часть поверхности каждой гранулы является предпочтительно выпуклой. Пустое пространство между гранулами в стержне также будет по существу равномерным для формирования блока двигателя с равномерно распределенными металлическими мостиками в рубашке с определенной пористостью. Пористость определяется размерами и формой гранул. Могут быть использованы сферические или сфероподобные элементы диаметром около 1-5 мм. Более предпочтительно диаметры могут находиться в диапазоне от приблизительно 2 до приблизительно 4 мм. В одном предпочтительном варианте гранулы могут быть изготовлены из стандартных материалов для изготовления стержней (например, песок, клей, отвердитель) и сформированы с использованием литейных форм с литниками для формирования отдельных гранул.
На Фиг.5 более подробно показан способ изготовления песчаного стержня. На этапе 40 формируют смесь материала для стержня, из которой на этапе 41 изготавливают гранулы. Гранулы отверждают на этапе 42, затем смешивают с вторичным связующим веществом и помещают в исходную литьевую форму, определяющую форму водяной рубашки. Первичное и вторичное связующие вещества могут представлять собой органические или неорганические связующие вещества, известные из уровня техники. Например, может быть использовано стандартное фенол-формальдегидное связующее. Песок может представлять собой, например, цирконовый песок. На этапе 44 активируют отверждение вторичного связующего. После затвердевания в основной литьевой форме формируется органическая сетевая непрерывная структура. Стержень содержит агломерацию множества гранул. После удаления композитного «органического» стержня из основной литьевой формы на этапе 45, на этапе 46 стержень собирают вместе с остальными стандартными стержнями, используемыми для отливки блока цилиндров.
После отливки получают блок цилиндров 50, показанный в разрезе на Фиг.6. Рубашка 51 водяного охлаждения имеет пористую структуру между цельными стенками, включая стенку 52, направленную на расположенный рядом поршневой цилиндр. Стенка 52 может быть тоньше, чем получаемая известными методами, благодаря увеличению механической прочности, обеспеченной сетевой пористой структурой внутри рубашки 51 водяного охлаждения.
В другом варианте диаметр отдельных гранул в «органическом» стержне может варьироваться в зависимости от места расположения. В результате, соотношение пустоты/объем также различно на различных участках рубашки водяного охлаждения, что обеспечивает улучшенную проходимость на одних участках и более прочную конструкцию на других. Как показано на Фиг.7, стержень 55 для водяной рубашки может иметь центральный участок 56 и краевой участок 57. Используют гранулы двух различных размеров: группу гранул большего диаметра и группу гранул меньшего диаметра. Центральный участок 56, в основном, содержит гранулы большего диаметра, а краевой участок 57, в основном, содержит гранулы меньшего диаметра. Как показано на рисунке, группы больших гранул 60 и 61 собраны в центральной области 56 с наибольшей концентрацией гранул большего размера, а группы меньших гранул 62-65 сконцентрированы на краевом участке 57. «Высокая концентрация» означает содержание, в основном, гранул большего или меньшего размера соответственно. Может быть допустимо или даже желательно некоторое смешивание гранул разных размеров в пределах одной области в зависимости от требуемых характеристик.
1. Стержень для отливки компонента двигателя с рубашкой водяного охлаждения, состоящий из множества отвержденных гранул объемной формы, имеющих по меньшей мере одну выпуклую поверхность для соединения с соседними гранулами, причем максимальный диаметр каждой гранулы составляет от примерно 1 мм до примерно 5 мм, и связующего вещества, соединяющего гранулы между собой в агломерат, имеющий форму упомянутой рубашки, причем агломерат имеет непрерывную сетевую структуру, обеспечивающую заранее заданную пористость пространства внутри рубашки компонента двигателя.
2. Стержень по п.1, в котором гранулы имеют, по существу, сферическую форму с максимальным диаметром от примерно 2 мм до примерно 4 мм.
3. Стержень по п.1, в котором агломерат содержит группу гранул меньшего размера и группу гранул большего размера, при этом максимальный диаметр гранул большего размера больше максимального диаметра гранул меньшего размера, причем гранулы агломерированы в исходной литьевой форме таким образом, что на центральном участке стержня сконцентрировано наибольшее количество гранул большего размера, а на краевых участках стержня сконцентрировано наибольшее количество гранул меньшего размера.
4. Стержень по п.1, в котором отвержденные гранулы состоят из песка и первичного связующего вещества.
5. Стержень по п.1, в котором твердые гранулы состоят из соли.
