BRPI1107007B1

BRPI1107007B1 - cabeça de cilindro para um motor de combustão interna

Info

Publication number: BRPI1107007B1
Application number: BRPI1107007-2A
Authority: BR
Inventors: Carmelo D'ANNA; Antonio Abozzi
Original assignee: Fiat Powertrain Technologies S.P.A.
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2021-01-12
Also published as: US20120227686A1; BRPI1107007A2; EP2500558A1; JP5684699B2; US8671904B2; JP2012189075A; EP2500558B1

Abstract

CABEÇA DE CILINDRO PARA UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA Uma cabeça de cilindro (1) para um motor de combustão interna tem um corpo (2) integrando em uma única peça fundida, o coletor de escapamento. Os condutos de escapamento (9) integrados na cabeça formam subgrupos separados (16,17) de condutos de escapamento (9) que se fundem em porções de coletor (16a,17a) superpostas e espaçadas uma da outra. Uma camisa de resfriamento inferior (18) abaixo dos condutos de escapamento, uma camisa de resfriamento superior (19) acima dos condutos de escapamento e uma camisa de resfriamento intermediária (20) que é estendida entre as porções superpostas (16,17) do coletor de escapamento são formadas na cabeça. A camisa de resfriamento inferior (18) é longitudinalmente dividida em uma pluralidade de câmeras transversais separadas (18) associadas a vários cilindros de motor e terminando em uma porção comum da camisa inferior (18) que é estendida ao longo do lado de escapamento da cabeça, enquanto a camisa de resfriamento superior (19) tem uma porção (196) estendida longitudinalmente sobre o desenvolvimento inteiro da cabeça (1) e comunicando-se com câmeras transversais separadas (198) posicionadas no lado de admissão da cabeça (1). A camisa de resfriamento inferior acima mencionada (18) tem uma porção (20) da mesma que é estendida na área do corpo (2) da cabeça (1) que separa as porções superpostas (...).

Description

Campo da invenção

[0001] A presente invenção se refere a cabeça de cilindro para motores de combustão interna do tipo indicado no preâmbulo da reivindicação 1.

Técnica anterior

[0002] Uma cabeça de cilindro do tipo previamente descrito é ilustrado, por exemplo, no documento US 2010/0083920 A1, equivalente ao documento EP 2 172 635 A1. Cabeças de cilindro com coletor de escapamento integrado e porções de coletor de escapamento superpostas se tornaram conhecidos, todavia, ao longo do tempo (DE-A-25 08 952). As cabeça de cilindro deste tipo são também ilustradas no documento JP 2007-285168, e US 2009/0241526.

[0003] A integração do coletor de escapamento na cabeça de cilindro permite uma simplificação de construção e também uma redução dos custos de fabricação, dado que nos motores convencionais com coletor de escapamento separado, o último deve ser feito de aço precioso para suportar as altas temperaturas de operação, enquanto nas cabeças de cilindro com coletor integrado o material que constitui a cabeça e o coletor é tipicamente alumínio, e o problema que deriva das altas temperaturas dos gases de escapamento é resolvido pela provisão de um resfriamento por líquido para o coletor e a cabeça, através das acima mencionadas camisas de resfriamento. A provisão de um coletor de escapamento integrado com as porções de coletor que são superpostas e espaçadas umas das outras permite vantagens em termos de resfriamento melhorado e mais uniforme dos condutos, também evitando a interação da dinâmica de gás entre os condutos.

[0004] Na solução acima mencionada conhecida a partir do documento US 2010/0083920 A1, a cabeça de cilindro tem condutos providos paralelos uns em relação aos outros, para tirar o fluido proveniente do circuito de resfriamento do bloco de motor tanto diretamente à camisa de resfriamento inferior quanto diretamente à camisa de resfriamento superior acima mencionada. A camisa de resfriamento intermediária se estende apenas na parte central da cabeça, no lado de escapamento e se comunica com a camisa inferior e a camisa superior por meio dos dois condutos de interconexão dispostos nos dois lados da área de escapamento de gás. Uma desvantagem das soluções do estado da técnica anterior previamente descritas está situada no fato de que as camisas de resfriamento inferior e superior são substancialmente atravessadas, cada, por um fluxo longitudinal de um fluido de resfriamento, a partir de uma extremidade da cabeça para a outra, que não garante um resfriamento ideal e uniforme de todas as porções da cabeça associadas aos cilindros de motor. Além disso, a solução do estado da técnica anterior provê saídas separadas para as acima mencionadas porções de coletor de escapamento.

Objetivo da invenção

[0005] O objetivo da presente invenção é aquele de prover uma cabeça de cilindro do tipo indicado no início da presente descrição onde a desvantagem acima mencionada é superada e particularmente onde um resfriamento ótimo e uniforme das porções da cabeça é garantido e em particular o resfriamento das várias porções do coletor de escapamento, associado aos vários cilindros de motor.

[0006] Um outro objetivo da invenção é reduzir ao máximo o superaquecimento ao qual os condutos de escapamento associados aos cilindros de motor são sujeitos e as não uniformidades de tal superaquecimento entre os diferentes condutos de escapamento.

Sumário da invenção

[0007] A fim de alcançar tal objetivo, a invenção visa prover uma cabeça de cilindro tendo as características da reivindicação 1.

[0008] Devido às características acima mencionadas, a cabeça de acordo com a invenção assegura que o fluido de resfriamento não atravesse a camisa de resfriamento inferior acima mencionada longitudinalmente desde uma extremidade da cabeça para a outra, mas é pelo menos parcialmente forçado para fluir de acordo com as direções transversais à direção longitudinal da cabeça, paralela nas várias câmaras associadas aos diferentes cilindros de motor, conseqüentemente assegurando uma velocidade de translação correta do fluido de resfriamento, bem como - sobretudo - uma uniformidade de resfriamento substancialmente entre as várias porções da cabeça de cilindro, e em particular do coletor de escapamento, associado aos vários cilindros de motor. A camisa de resfriamento superior não recebe fluido diretamente a partir do bloco de motor, mas somente também a partir das ditas câmaras da camisa inferior, através dos condutos de interconexão acima mencionadas, a partir da camisa inferior e a partir da camisa intermediária. Além disso, a última não é limitada a uma porção central da cabeça, mas é estendida sobre a dimensão longitudinal inteira da cabeça e forma a saída principal do fluido de resfriamento a partir da cabeça.

Breve descrição dos desenhos

[0009] Outras características e vantagens da invenção ficarão claras a partir da seguinte descrição com referência aos desenhos anexos, providos puramente a título de exemplo não limitativo, nos quais:

[00010] a figura 1 é uma vista em perspectiva de uma cabeça de cilindro de acordo com a invenção,

[00011] a figura 2 é uma vista lateral da cabeça de cilindro da figura 1,

[00012] a figura 3 é uma vista plana da cabeça de cilindro das figuras 1, 2,

[00013] a figura 4 é uma vista seccional de acordo com a linha IV-IV da figura 3,

[00014] a figura 5 é uma vista seccional de acordo com a linha V-V da figura 3,

[00015] a figura 6 é uma vista seccional de acordo com a linha VI-VI da figura 2,

[00016] a figura 7 é uma vista seccional de acordo com a linha VII-VII da figura 2,

[00017] a figura 8 é uma vista seccional de acordo com a linha VIII-VIII da figura 4,

[00018] a figura 9 é uma vista seccional de acordo com a linha IX-IX da figura 4,

[00019] a figura 10 é uma vista seccional de acordo com a linha X-X da figura 4,

[00020] a figura 11 é uma vista sem perspectiva explodida dos machos de areia usados para prover os condutos de escapamento e as três camisas de resfriamento no corpo da cabeça de cilindro de acordo com a invenção,

[00021] a figura 12 é uma vista em perspectiva explodida dos machos de areia usados para prover as três camisas de resfriamento,

[00022] a figura 13 é uma vista em perspectiva, na condição montada, dos dois machos usados para prover os condutos de escapamento,

[00023] as figuras 14, 15, 16 são vistas em perspectiva que ilustram especificamente os machos usados para a camisa de resfriamento inferior, para a camisa de resfriamento intermediária e para a camisa de resfriamento superior, e

[00024] a figura 17 ilustra uma outra vista em perspectiva dos machos das figuras 14, 15, 16, na condição montada.

Descrição Detalhada de uma modalidade preferida

[00025] O exemplo ilustrado se refere ao caso da cabeça de cilindro de um motor de combustão interna turbocarregado, com quatro cilindros em linha. Todavia, é claro que a presente invenção pode ser aplicada a qualquer outro tipo de motor, com qualquer número de cilindros e tanto nos casos onde uma unidade de turbo- supercarregador é fornecida quanto nos casos onde tal unidade não é fornecida.

[00026] Com referência às figuras 1-10, uma cabeça de cilindro de acordo com a invenção, tendo um único corpo de alumínio 2 com uma face superior 3, uma face inferior 4 (vertical a figura 2), uma primeira face de extremidade 5 e uma segunda face de extremidade 6, é indicado em sua totalidade com o número 1.

[00027] Cavidades 7 (ver as figuras 4, 5) que definem as câmaras de combustão associadas aos cilindros de motor são formadas na face inferior 4 da cabeça de cilindro. O exemplo ilustrado se refere ao caso de um motor provido com duas válvulas de admissão e duas válvulas de descarga para cada cilindro de motor. Portanto, dois condutos de admissão 8 e dois condutos de escapamento 9 (ver as figuras 4, 5) são formados por fundição, para cada cilindro de motor. No corpo 2 da cabeça de cilindro 1. Os condutos de admissão 8 terminam em uma face lateral longitudinal 10 da cabeça (ver as figuras 3, 5, 6). As figuras 5, 10 também mostram os furos passantes 8a e 9a que terminam - na parte superior - na face superior 3 da cabeça e - na parte inferior - nos respectivos condutos de escapamento 8, 9, destinados a receber e guiar as hastes das válvulas de admissão e escapamento. Uma cavidade 11 (figuras cabeça de cilindro 1, 3) destinada a alojar um ou mais eixos de comando de válvulas e os respectivos tuchos para a atualização das válvulas de admissão e escapamento é provida na face superior da cabeça de acordo com a arte convencional.

[00028] Como pode ser claramente observado nas figuras 5, 6, 7, o coletor de escapamento de motor é também provido em uma única peça fundida na cabeça de cilindro 1. A configuração global dos condutos que definem o coletor de escapamento corresponde àquela do macho usado para obtê-los, que pode ser observada na figura 13 dos desenhos anexos. Em tal figura, as partes do macho de areia que correspondem às cavidades obtidas na cabeça de cilindro são indicadas com o mesmo número de referência.

[00029] Como pode ser observado na figura 13, todos dos condutos de escapamento 9 se fundem em uma saída comum 12 terminando em uma face lateral longitudinal 13 da cabeça de cilindro (figura 1) em uma faceta plana 14 possuindo furos 15 para o engate de parafusos para fixar a unidade de turbo carregador (não ilustrada). Retornando para a figura 13, os condutos de escapamento 9 que definem o coletor de escapamento formam dois subgrupos separados de condutos de escapamento, respectivamente indicados com os números de referência 16, 17. O subgrupo 16 é constituído pelos condutos de escapamento 9 associados com os dois cilindros de motor que estão no centro da série alinhada dos quatro cilindros, enquanto o subgrupo 17 é constituído pelos condutos de escapamento 9 associados com os dois cilindros que estão nas extremidades da série de cilindros. Os condutos de escapamento 9 do primeiro subgrupo 16 fundem-se mutuamente em uma porção de coletor 16a que, por sua vez, funde-se na saída 12 com dois condutos 17a que é parte do subgrupo 17, com o qual se funde os condutos de escapamento 9 de cada um dos cilindros de extremidade. Os condutos 17a se estendem em uma direção substancialmente longitudinal com relação à cabeça de cilindro, um dirigido para o outro, até uma porção central do coletor em que eles se fundem juntamente com a porção 16a dentro da saída comum 12.

[00030] Como pode ser observado na figura 1, no caso do exemplo ilustrado, a porção da cabeça de cilindro em que o coletor de escapamento é integrado define uma parte 13a que se projeta da face lateral longitudinal 13.

[00031] Com particular referência às figuras 4, 5, uma camisa de resfriamento inferior 18, uma camisa de resfriamento superior 19 e uma camisa de resfriamento intermediária 20, para resfriar a cabeça e em particular o coletor de escapamento provido na cabeça são também formadas por fundição do corpo da cabeça de cilindro 1. As camisas de resfriamento inferior e superior 18, 19 são estendidas substancialmente acima e abaixo dos condutos que definem o coletor de escapamento, bem como em torno da saída comum central 12. A camisa intermediária 20 se estende entre as partes centrais - que são superpostas e espaçadas uma da outra - dos subgrupos de condutos de escapamento 16, 17, estendendo-se de uma parte e da outra parte até as extremidades da cabeça. A configuração das três camisas 18, 19, 20 é mais clara a partir da observação da configuração dos correspondentes machos de areia ilustrados nas figuras 11-17, onde as partes dos machos foram indicadas usando os mesmos números de referência que indicam das cavidades da cabeça 1 que correspondem ao mesmo.

[00032] Nos desenhos, o número de referência 21 indica os condutos providos na cabeça de cilindro para montar as velas de ignição associadas aos vários cilindros de motor, enquanto o número de referência 22 indica outros condutos providos na cabeça para permitir a montagem dos injetores associados aos vários cilindros.

[00033] As figuras 8, 9 são seções de acordo com as linhas VIII-VIII da figura 4, mostrando a camisa de resfriamento inferior 18. A figura 6 é uma seção da cabeça no plano horizontal que corresponde à linha VI-VI da figura 2, mostrando a camisa de resfriamento intermediária 20. A figura 10 é uma seção de acordo com a linha XX da figura 4, mostrando a camisa de resfriamento superior 19.

[00034] Com referência às figuras 8, 9, bem como à figura 14, pode ser claramente observado que a camisa de resfriamento inferior 18 é longitudinalmente dividida em quatro câmaras transversais 181 providas em uma única peça com a cabeça de cilindro. As câmaras transversais 180 da camisa de resfriamento inferior 18 são destinadas a receber fluido de resfriamento a partir do circuito provido no bloco de motor por meio dos condutos 182 distribuídos sobre o cumprimento inteiro da cabeça de cilindro e providos a partir da face inferior da cabeça, respectivamente adjacentes ao lado de admissão e ao lado de escapamento das câmaras de combustão 7. A figura 14 mostra apêndices 182 do macho de areia usado para obter alguns dos condutos de comunicação acima mencionados, que permitem a chegada - nas câmaras transversais separadas 180 da camisa de resfriamento inferior 18 - de líquido de resfriamento que provém do circuito provido no bloco de motor, de acordo com as setas indicadas com 183 nas figuras 4 e 14.

[00035] As câmaras 180 terminam em uma porção contínua longitudinal 185 da dita camisa inferior 18, estendida ao longo do lado de escapamento da cabeça (ver também a figura 14).

[00036] Devido ao arranjo previamente descrito, o líquido de resfriamento que provém do bloco de motor é forçado a passar através da camisa de resfriamento inferior 18 atravessando - em paralelo - as quatro câmaras transversais 180, de acordo com direções ortogonais à direção longitudinal da cabeça. Assim, o líquido de resfriamento que passa através das câmaras transversais 180 chega ao lado de escapamento da cabeça de cilindro resfriando as paredes do subgrupo 17 dos condutos de escapamento que passam abaixo de tal subgrupo.

[00037] O líquido de resfriamento passa desde a camisa de resfriamento inferior 18 para a camisa de resfriamento superior 19 tanto por meio dos condutos 184 (figura 14) dispostos adjacentes às câmaras de combustão quanto por meio de um par de condutos 190 (figura 4) definidos por elementos de fechamento 191 que obstruem duas cavidades cilíndricas 192 terminando na face 13 da cabeça de cilindro nos dois lados da saída central 12 para os gases de escapamento (ver as figuras 1, 4, 6, 14, 15). Nas figuras 1, 2, os elementos de fechamento 191 foram omitidos, assim a borda de uma separação 189 (figura 4) que separa as camisas de resfriamento inferior e intermediária 18, 20 pode ser observada. Como pode ser claramente observado na figura 4, o elemento de fechamento 191 é espaçado a partir da borda frontal da separação 189, de forma a definir o conduto de comunicação 190.

[00038] Como pode ser claramente observado na figura 4, cada um dos condutos 190 assim definido coloca em comunicação não somente a camisa inferior 18 com a camisa intermediária 20, mas também ambas as camisas 18 e 20 com a camisa superior 19. Cada conduto 190, portanto, é um conduto para interconexão entre as três camisas.

[00039] Nas figuras 11 e 12, o número de referência 18 indica - em sua totalidade - o macho de areia destinado a definir a camisa de resfriamento inferior 18 da cabeça de cilindro de acordo com a invenção, enquanto os números de referência 19, 20 indicam os machos de areia destinados a definir a camisa de resfriamento superior 19 e a camisa de resfriamento intermediária 20. As cavidades cilíndricas definidas pelos apêndices tubulares acima mencionados 192 são obtidas como um resultado da cooperação entre os apêndices 192a dos três machos.

[00040] Devido a tal arranjo, na cabeça cilíndrico de acordo com a invenção, o líquido de resfriamento que provém da camisa de resfriamento inferior 18 chega à camisa de resfriamento superior 19 através dos condutos acima mencionados 190, e através dos condutos 184, que respectivamente se comunicam com as câmaras separadas 180 da camisa inferior 18. O líquido de resfriamento sai da camisa inferior 18 na direção das setas F da figura 14 e entra na camisa intermediária 20, bem como através dos condutos 190, também diretamente para a camisa superior 19.

[00041] Com referência à figura 15, a camisa intermediária 20 se estende longitudinalmente sobre a cabeça inteira e termina em uma saída principal 201 em uma extremidade da cabeça, através do qual o líquido de resfriamento que passou através da camisa inferior 18 e da camisa intermediária 20 sai da cabeça.

[00042] Com referência à figura 16, a camisa de resfriamento superior 19 tem uma primeira porção 196 no centro da cabeça, acima da porção superior 16 do coletor de escapamento, e uma segunda porção 197 estendida longitudinalmente a partir da dita primeira porção 196 até uma extremidade da cabeça onde forma uma saída auxiliar 198 adjacente à saída principal 201. A primeira porção 196 inclui uma parte de ponte que circunda - na parte superior - a área de saída do gás. A porção 197 define um canal útil para permitir a liberação de possíveis bolhas de ar que se acumulam na parte superior da camisa 19.

[00043] Como é claro da descrição acima, a cabeça de cilindro de acordo com a invenção tem o coletor de escapamento integrado no mesmo e compreende subgrupos separados 16, 17 de condutos de escapamento que se fundem em porções de coletor que são superpostas e espaçadas entre si. Além disso, uma camisa de resfriamento inferior que recebe líquido de resfriamento a partir do bloco de motor através de uma pluralidade de aberturas distribuídas sobre a dimensão longitudinal inteira da cabeça é provida de forma a fornecer o líquido de resfriamento para uma pluralidade de câmaras transversais separadas 180 que são traspassadas através - em paralelo - pelo líquido de resfriamento, transversalmente à direção longitudinal a cabeça. O líquido de resfriamento passa assim desde a camisa de resfriamento inferior para as camisas de resfriamento superior e intermediária. As últimas são transpassadas tanto transversalmente quanto longitudinalmente, até a saída do líquido de resfriamento nas saídas 201 e 198 em uma extremidade da cabeça de cilindro.

[00044] A cabeça de cilindro de acordo com a invenção permite, devido às características acima mencionadas, a combinação das vantagens de um coletor de escapamento, com as vantagens em termos de resfriamento mais eficiente que deriva da configuração e arranjo específicos das camisas de resfriamento. Simultaneamente, a cabeça de cilindro de acordo com a invenção pode ser obtido de uma maneira relativamente simples e a custos relativamente baixos pela provisão dos machos configurados como descrito acima.

[00045] Obviamente, sem prejuízo para o princípio da invenção, os detalhes da invenção e modalidades podem variar amplamente com relação ao que foi descrito e ilustrado puramente a título de exemplo, sem fugir do escopo de proteção da presente invenção.

Claims

1. Cabeça de cilindro (1) para um motor de combustão interna tendo: - um corpo (2) com uma face superior (3), uma face inferior (4), duas faces de extremidade (5, 6), e duas faces laterais (10, 13), - o dito corpo (2) integrando em uma única peça fundida o coletor de escapamento de motor (16, 17), - o dito coletor de escapamento (16, 17) sendo definido por uma pluralidade de condutos (9) para os gases de escapamento providos no corpo (2) da cabeça (1) e formando subgrupos separados (16, 17) de condutos de escapamento que se fundem em porções de coletor (16a, 17a) superpostas e espaçadas uma da outra, que terminam em uma face lateral (13, 14) da cabeça, - uma camisa de resfriamento inferior (18) e uma camisa de resfriamento superior (19) providas no corpo (2) da cabeça (1), substancialmente abaixo e acima dos condutos (9) que definem o coletor de escapamento (16, 17), e uma camisa de resfriamento intermediária (20) interposta entre as acima mencionadas porções de coletor (16, 17) que são superpostas e espaçadas uma da outra, - a dita camisa intermediária (20) comunicando-se com as camisas inferior e superior (18, 19) através de dois condutos de interconexão dispostos adjacentes à dita face lateral (13, 14), nos dois lados da área de saída do coletor de escapamento, em que: - a camisa de resfriamento inferior (18) é longitudinalmente dividida em uma pluralidade de câmaras transversais separadas (180) associadas a vários cilindros de motor, e terminando em uma porção contínua longitudinal da dita camisa inferior, estendida ao longo do lado de escapamento da cabeça, - a camisa de resfriamento intermediária (20) é estendida sobre a extensão longitudinal inteira da cabeça, ele tem condutos (184) para comunicação com as acima mencionadas câmaras da camisa inferior (18) e uma saída (201) em uma extremidade (6) da cabeça (1), para a saída do fluido de resfriamento a partir da cabeça (1), - a camisa de resfriamento superior (19) tem uma primeira porção (196) no centro da cabeça, acima da porção superior (16) do coletor de escapamento, e uma segunda porção (197) estendida longitudinal a partir da dita primeira porção (196) até a dita extremidade (6) da cabeça (1), onde ela forma um circuito auxiliar (198) adjacente à dita saída principal (201), dita cabeça de cilindro sendo caracterizada pelo fato de que: - os ditos condutos (9) do coletor de escapamento se fundem em uma saída comum (12) terminando na dita face lateral (13, 14) da cabeça (1), - a dita pluralidade de câmeras transversais separadas (180) da camisa de resfriamento inferior (18) que são associadas a vários cilindros de motor definidas por partições (181) transversais a direção longitudinal da cabeça de cilindro que são providas em uma única peça com a cabeça de cilindro, ditas câmeras transversais (180) sendo destinadas a receber fluido de resfriamento de um circuito provido no bloco de motor por meio de condutos (182) que respectivamente fornecem liquido de resfriamento proveniente do circuito provido no bloco de motor para as ditas câmeras transversais separadas (180), - dita segunda porção (197) da camisa de resfriamento superior (19) forma uma saída auxiliar (198) adjacente à dita saída principal (201) na extremidade (6) da cabeça (1).