Головка блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением
Головка блока цилиндров относится к конструкциям головок с жидкостным охлаждением. Головка содержит полость для охлаждающей жидкости, образованную наружными боковыми и торцевыми стенками, верхней и нижней плитами; впускные и выпускные каналы; направляющие втулки и седла впускного и выпускного клапанов, содержит в нижней плите по одной камере сгорания на каждый рабочий цилиндр с объемом от 51 до 77 см3 и расположением в продольном направлении, стенка камеры сгорания общая для формирования полости охлаждающей жидкости, имеется привалочная поверхность к впускной трубе расположенная под углом от 70 до 80 градусов, и привалочная поверхность крышки коромысел под углом от 5 до 25 градусов, колодец для свечи зажигания, с расстоянием между осями в продольном направлении от 122 мм до 124 мм, 15 штук бобышек со сквозными отверстиями под шпильки крепления головки к блоку, на каждый цилиндр по шесть крепежных отверстий, пара отверстий под шпильки, расположенная между цилиндрами, общая для этой пары цилиндров, имеется внутренняя полость для прохода картерных газов и штанг привода коромысел клапанов, образованная стенками впускных каналов и наружной боковой стенкой головки; со стороны привалочной поверхности к впускной трубе полость для охлаждающей жидкости имеет два выходных отверстия, а со стороны нижней плиты имеет входное отверстие, образованное соединением отверстий, по периметру каждой из полостей камеры сгорания; над верхней плитой выполнены опорные площадки под установку стоек оси коромысел на расстояние между центрами от 122 до 124 мм; впускные и выпускные каналы направлены в противоположные стороны; площадь поперечного сечения впускных каналов равна от 1256 до 1552 мм2. Конструкция обеспечивает оптимальность рабочего процесса в двигателе, ресурс, надежность и ремонтопригодность.
Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно, к конструкциям головок блока цилиндров с жидкостным охлаждением.
Известна головка цилиндров карбюраторного двигателя внутреннего сгорания, содержащая камеру сгорания и впускной канал, связанный с камерой сгорания выходным участком, выполненным по спирали, причем отношение площадей проходных сечений выходного участка, удаленных от начального сечения на углы 75-85°, 150-170° и 300-340°, к площади сечения впускного канала перед выходным участком составляет, соответственно, 0,7-0,8; 0,45-0,55; 0,05-0,10 (см. авторское свидетельство SUN503033, дата публикации от 15.02.1976 г. МПК5 F02F 1/42).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции является снижение скорости вихревого потока смеси вследствие удара струй входящего потока топливной смеси о стенки камеры сгорания из-за несовершенства ее формы. По этой же причине конструкция головки блока цилиндров имеет недостаточную проходную площадь между тарелками клапанов и стенками камеры сгорания, из-за чего уменьшается наполнение на полных нагрузках, мощность двигателя, возрастает токсичность выхлопных газов, увеличивается износ двигателя из-за ухудшения процесса горения.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности существенных признаков является головка цилиндров двигателя внутреннего сгорания (варианты), содержащая полость для охлаждающей жидкости, образованную наружными боковыми стенками, огневым днищем, верхней полкой, и наружной торцевой стенкой, впускной газовый канал и выпускной газовый канал, имеющий направленную внутрь канала бобышку, направляющие втулки и впускных и выпускных клапанов соответственно, колодец для топливной форсунки, бобышки, имеющие сквозные отверстия для болтов крепления головки цилиндра к блоку, масляный канал. Боковая стенка впускного канала перед седлом клапана имеет закругленный участок, а выпускной канал имеет диффузорно-конфузорный участок. В огневом днище запрессованы с высоким натягом седла впускных и выпускных клапанов соответственно. Седла выполнены со ступенькой, имеющей фиксирующую острую кромку. Крепежные бобышки соединены ребрами жесткости, кроме того, введены дополнительные ребра от крепежных бобышек, обеспечивающие дополнительную жесткость огневого днища (см. патент на полезную модель RU 
100561, дата публикации от 20.12.2010 г., МПК F02F 1/24 (2006.01).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в данной конструкции имеются малоэффективные аэродинамические характеристики впускных и выпускных каналов, увеличенное сопротивление воздуха во впускных каналах, более теплонапряженное состояние нижней плоскости головки цилиндров, вызванных образованием застойных зон вокруг ребер жесткости.
Сущность полезной модели заключается в обеспечении оптимизации рабочих процессов в двигателе и ресурса головки цилиндров на полный период эксплуатации двигателя за счет применения впускных и выпускных каналов определенной геометрии, равномерно расположенных по периметру газового стыка каждого цилиндра крепежных отверстий под шпильки крепления к блоку цилиндров, использования рубашки охлаждения без застойных зон, в повышении жесткости конструкции.
Технический результат - равномерное распределение давления на прокладку газового стыка, обеспечение герметичности газового стыка на всех режимах работы двигателя, высокоэффективных аэродинамических характеристик впускных и выпускных каналов, оптимальное охлаждение стенок камер сгорания, седел клапанов и направляющих втулок клапанов, стенок выпускных каналов, повышение жесткости, повышение топливной экономичности, а также повышение долговечности и надежности конструкции.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что в головке блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, содержащей полость для охлаждающей жидкости, образованную наружными боковыми стенками, наружными торцевыми стенками, верхней и нижней плитами; впускные и выпускные каналы; направляющие втулки и седла впускного и выпускного клапанов особенностью является то, что
- для эффективного сгорания газовой смеси головка содержит по одной камере сгорания на каждый рабочий цилиндр, выполненной в нижней плите, причем стенка камеры сгорания является общим конструктивным элементом для формирования полости для охлаждающей жидкости,
- для отвода охлаждающей жидкости и присоединения впускной трубы двигателя головка блока цилиндров содержит привалочную поверхность к впускной трубе;
- для присоединения крышки коромысел и обеспечения требуемой жесткости конструкции головки блока цилиндров имеет привалочную поверхность крышки коромысел,
- для установки свечи зажигания выполнен колодец для свечи зажигания, бобышки со сквозными отверстиями под шпильки крепления головки к блоку, внутреннюю полость для прохода картерных газов и штанг привода коромысел клапанов, образованную стенками впускных каналов и наружной боковой стенкой головки блока цилиндров;
- внутренняя полость для прохода охлаждающей жидкости имеет входное отверстие, образованное соединением отверстий, расположенных в нижней плите по периметру каждой из полостей камеры сгорания, причем со стороны привалочной поверхности к впускной трубе полость для охлаждающей жидкости имеет два выходных отверстия, в совокупности обеспечивающих оптимальный теплообмен между нагретыми стенками головки блока цилиндров и циркулирующей охлаждающей жидкостью, что приводит к снижению термического напряжения в зоне камер сгорания, где образуется максимальная температура, увеличение теплоотдачи от поверхности выпускных каналов;
- над верхней плитой выполнены опорные площадки для установки стоек оси коромысел;
- для оптимального расположения осей клапанов относительно осей впускных и выпускных каналов, способствуя улучшению газообмена при впуске и выпуске, впускные и выпускные каналы направлены в противоположные стороны;
- причем площадь поперечного сечения впускных каналов выполнена в размерном диапазоне от 1256 мм2 до 1552 мм2 для уменьшения сопротивления воздушному заряду и улучшению газообмена, при выходе за указанные интервалы соотношений площади впускных каналов произойдет недостаточное наполнение цилиндров топливовоздушной смесью при впуске, и соответственно, снижение мощностных показателей двигателя;
- для обеспечения жесткости боковых стенок расстояние L1 между осями колодцев для свечей зажигания в продольном направлении выполнено в размерном диапазоне от 122 мм до 124 мм, причем при не выполнении указанного интервала размеров при нагреве произойдет неравномерное распределение жесткости каркаса головки блока цилиндров в продольном направлении;
- равномерно расположенные по периметру камеры сгорания каждого цилиндра сквозные отверстия под шпильки крепления головки к блоку выполнены в количестве 15 штук, причем на каждый цилиндр приходится по шесть крепежных отверстий, при этом пара отверстий под шпильки, расположенная между цилиндрами, является общей для этой пары цилиндров обеспечивают необходимое усилие прижатия головки блока к прокладке блока и гарантированное уплотнение стыка, что позволяет минимизировать количество крепежных элементов. При выполнении большего количества крепежных отверстий под шпильки, а, следовательно, расположение их между цилиндрами, приведет к увеличению металлоемкости, трудоемкости сборки и себестоимости двигателя. Уменьшение количества крепежных отверстий под шпильки приведет к негерметичности стыка между головкой и блоком цилиндров и разрушению (прогару) прокладки головки блока цилиндров;
- расстояние L2 между центрами симметрии опорных площадок под установку стоек оси коромысел в продольном направлении выполнено в размерном диапазоне от 122 мм до 124 мм. Выполнение указанного размерного диапазона расположения опорных площадок является оптимальным для заявляемой конструкции головки блока цилиндров. Выполнение увеличенного размерного диапазона расположения опорных площадок приведет к деформации оси коромысел под действием усилий от клапанных пружин и штанг толкателя, и усталостному разрушению оси. Выполнение меньшего размерного диапазона расположения опорных площадок приведет к увеличению металлоемкости головки блока цилиндров;
- кроме этого объем камеры сгорания выполнен в рабочем диапазоне от 51 см3 до 77 см3, при этом на каждый рабочий цилиндр в головке выполнена камера сгорания, расположенная в продольном направлении. Указанный диапазон объема камеры сгорания определен расчетным путем и подтвержден экспериментально, что позволяет обеспечить бездетонационное сгорание рабочей смеси, повысить топливную экономичность путем улучшения процесса смесеобразования достигаемого оптимальным соотношением размеров камеры сгорания;
- привалочная поверхность к впускной трубе расположена под углом 
1 к нижней плите, причем угол выполнен в диапазоне от 70 до 80 градусов за счет чего обеспечивается установка и надежная фиксация впускной трубы к головке блока цилиндров, выполнение расположения с иным углом приведет к увеличению металлоемкости головки блока цилиндров; - привалочная поверхность крышки коромысел расположена под углом 2 к нижней плите, причем угол выполнен в диапазоне от 5 до 25 градусов, за счет чего обеспечивается установка и надежная фиксация крышки коромысел к головке блока цилиндров;
Для пояснения настоящей полезной модели приведены следующие иллюстрации:
На фиг. 1 представлен разрез головки блока цилиндров по впускному каналу;
На фиг. 2 представлен разрез головки блока цилиндров по выпускному каналу;
На фиг. 3 представлен разрез головки блока цилиндров по колодцу для свечи зажигания;
На фиг. 4, 5 представлены виды наружных боковых стенок;
На фиг. 6 представлен вид головки блока цилиндров со стороны привалочной поверхности под впускную трубу;
На фиг. 7 представлен вид головки блока цилиндров со стороны нижней плиты.
Головка блока цилиндра двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением содержит полость (1) для охлаждающей жидкости, образованную наружными боковыми стенками (2) головки блока, стенкой камеры сгорания (3), наружной торцевой стенкой (4), верхней (12) и нижней плитами (5), кроме этого полость для охлаждающей жидкости имеет два выходных отверстия (19) со стороны привалочной поверхности к впускной трубе (6), кроме этого внутренняя полость имеет входное отверстие для прохода охлаждающей жидкости (7), образованный соединением отверстий, расположенных в нижней плите (5) по периметру полости каждой камеры сгорания; привалочную поверхность впускной трубы (6), привалочную поверхность крышки коромысел (21), впускные каналы (8), выпускные каналы (9), колодец для свечи зажигания (10), направляющую втулку впускного (11) и выпускного (20) каналов соответственно; камеру сгорания (13) с седлами впускных (14) и выпускных (15) каналов соответственно, бобышки со сквозными отверстиями под шпильки крепления головки к блоку (16), внутреннюю полость для прохода картерных газов и штанг привода коромысел клапанов (17), образованную стенками впускных каналов (8) и наружной боковой стенкой головки блока цилиндров (2); кроме этого, над верхней плитой (12) выполнены четыре опорные площадки (18) под установку стоек оси коромысел. Расстояние L1 между осями колодцев для свечей зажигания (10) в продольном направлении выполнено в размерном диапазоне от 122 мм до 124 мм; расстояние L2 между центрами симметрии опорных площадок (18) под установку стоек оси коромысел в продольном направлении выполнено в размерном диапазоне от 122 до 124 мм; привалочная поверхность (6) к впускной трубе расположена под углом 1 к нижней плите (5), причем угол выполнен в диапазоне от 70 до 80 градусов, а привалочная поверхность крышки коромысел (21) расположена под углом 2 к нижней плите (5), причем угол выполнен в диапазоне от 5 до 25 градусов.
Работа головки блока цилиндров осуществляется следующим образом. Головка блока цилиндров обеспечивает формирование и герметизацию рабочего объема цилиндров двигателя внутреннего сгорания. В бобышки со сквозными отверстиями 16 устанавливаются шпильки, при помощи которых головка цилиндров крепится к блоку. Через седла 14 впускных каналов 8 в цилиндры двигателя поступает заряд топливовоздушной смеси, а через выпускные каналы 9 и седла 15 отводятся отработавшие газы. Воспламенение рабочей смеси осуществляется свечами зажигания, установленными в колодцы 10. Под воздействием высоких температур при сгорании рабочей смеси и отводе отработавших газов стенка камеры сгорания 13 и стенки выпускных каналов 9 нагреваются. Для охлаждения нагретых частей головки блока цилиндров в полость для охлаждающей жидкости 1 через отверстия 7 в нижней плите 5 подается охлаждающая жидкость, которая в дальнейшем отводится через выходные отверстия 19 прямоугольной формы со стороны привалочной поверхности к впускной трубе 6 головки блока цилиндров. Расстояние L1 между осями колодцев для свечей зажигания (10) в продольном направлении выполнено в размерном диапазоне от 122 мм до 124 мм, что обеспечивает равномерное распределение жесткости каркаса головки блока цилиндров в продольном направлении. Расстояние L2 между центрами симметрии опорных площадок (18) под установку стоек оси коромысел в продольном направлении выполнено в размерном диапазоне от 122 до 124 мм, что исключает возможность деформации оси коромысел под действием усилий от клапанных пружин и штанг толкателя. Привалочная поверхность (6) к впускной трубе расположена под углом 1 к нижней плите (5), причем угол выполнен в диапазоне от 70 до 80 градусов, за счет чего обеспечивается установка и надежная фиксация впускной трубы к головке блока цилиндров. Привалочная поверхность крышки коромысел (21) расположена под углом 2 к нижней плите (5), причем угол выполнен в диапазоне от 5 до 25 градусов, за счет чего обеспечивается установка и надежная фиксация крышки коромысел к головке блока цилиндров.
Преимущество заявленной полезной модели состоит в том, что по сравнению с принятыми за аналог устройствами, конструкция головки блока цилиндров с жидкостным охлаждением обеспечивает достаточно жесткий каркас для равномерного распределения давления на прокладку головки цилиндров по периметрам газовых стыков, за счет применения оптимально расположенных крепежных отверстий под шпильки крепления к блоку цилиндров, впускных и выпускных каналов определенной геометрии, что позволяет организовать поток охлаждающей жидкости таким образом, чтобы обеспечить эффективное охлаждение нагретых частей головки цилиндров, седел и направляющих втулок в зоне камер сгорания, а так же обеспечить высокую технологичность головки блока цилиндров для получения отливки с равномерными минимальными литейными толщинами стенок.
1. Головка блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, содержащая полость для охлаждающей жидкости, образованную наружными боковыми стенками, наружными торцевыми стенками, верхней и нижней плитами; впускные и выпускные каналы; направляющие втулки и седла впускного и выпускного клапанов, отличающаяся тем, что головка содержит по одной камере сгорания на каждый рабочий цилиндр, выполненную в нижней плите, причем стенка камеры сгорания является общим конструктивным элементом для формирования полости для охлаждающей жидкости, кроме этого головка содержит привалочную поверхность к впускной трубе, привалочную поверхность крышки коромысел, колодец для свечи зажигания, бобышки со сквозными отверстиями под шпильки крепления головки к блоку, внутреннюю полость для прохода картерных газов и штанг привода коромысел клапанов, образованную стенками впускных каналов и наружной боковой стенкой головки блока цилиндров; при этом со стороны привалочной поверхности к впускной трубе полость для охлаждающей жидкости имеет два выходных отверстия, причем внутренняя полость для прохода охлаждающей жидкости имеет входное отверстие, образованное соединением отверстий, расположенных в нижней плите по периметру каждой из полостей камеры сгорания; кроме этого, над верхней плитой выполнены опорные площадки под установку стоек оси коромысел.
2. Головка блока цилиндров по п. 1, отличающаяся тем, что впускные и выпускные каналы направлены в противоположные стороны.
3. Головка блока цилиндров по п. 1, отличающаяся тем, что площадь поперечного сечения впускных каналов выполнена в размерном диапазоне от 1256 мм2 до 1552 мм2 .
4. Головка блока цилиндров по п. 1, отличающаяся тем, что расстояние L1 между осями колодцев для свечей зажигания в продольном направлении выполнено в размерном диапазоне от 122 мм до 124 мм.
5. Головка блока цилиндров по п. 1, отличающаяся тем, что сквозные отверстия под шпильки крепления головки к блоку выполнены в количестве 15 штук, причем на каждый цилиндр приходится по шесть крепежных отверстий, при этом пара отверстий под шпильки, расположенная между цилиндрами, является общей для этой пары цилиндров.
6. Головка блока цилиндров по п. 1, отличающаяся тем, что расстояние L2 между центрами симметрии опорных площадок под установку стоек оси коромысел в продольном направлении выполнено в размерном диапазоне от 122 до 124 мм.
7. Головка блока цилиндров по п. 1, отличающаяся тем, что объем камеры сгорания выполнен в рабочем диапазоне от 51 см3 до 77 см3, при этом на каждый рабочий цилиндр в головке выполнена камера сгорания, расположенная в продольном направлении.
8. Головка блока цилиндров по п. 1, отличающаяся тем, что привалочная поверхность к впускной трубе расположена под углом 1 к нижней плите, причем угол выполнен в диапазоне от 70 до 80°.
9. Головка блока цилиндров по п. 1, отличающаяся тем, что привалочная поверхность крышки коромысел расположена под углом 2 к нижней плите, причем угол выполнен в диапазоне от 5 до 25°.
РИСУНКИ
