PL198900B1 - Tłok chłodzony cieczą - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest t lok ch lodzony ciecz a. Tego typu t lok jest stosowany zw laszcza do silników spalinowych wewn etrznego spalania. T lok posiada pier scieniowy kana l ch lodzenia, lub kana l sk ladaj acy si e z licznych pier scieniowych sekcji, maj acy identyczny przekrój poprzeczny na swej d lugo sci. Kana l ch lodzenia (16) jest u lo zony co najmniej w sekcjach fali scie w kie- runku osi (18) t loka. Odleg losc w kierunku osi t loka (18) pomi edzy najni zszym punktem za- g lebienia fali i najwy zszym punktem grzbietu fali wynosi co najmniej 1,5 krotno sci odleg lo- sci pomi edzy najni zszym punktem zaglebienia fali i najwy zszym punktem kana lu ch lodzenia (16) w jego falistym przebiegu (22) odpowiadaj acej przekrojowi poprzecznemu kana lu ch lodzenia (16). PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest tłok chłodzony cieczą. Tego typu tłok jest stosowany zwłaszcza do silników spalinowych wewnętrznego spalania. Tłoki silników spalinowych wewnętrznego spalania są narażone na bardzo duże naprężenia termiczne wskutek spalania występującego w komorze spalania. Z tego powodu zaleca się, zwłaszcza w silnikach wysokoprężnych oraz w silnikach z doładowaniem, zapewnienie chłodzenia tłoków poprzez wprowadzenie chłodziwa w komory tłoka.

Z opisu patentowego DE-OS 30 19 953 znany jest tł ok posiadają cy pierś cieniowy kanał połączony otworem ze skrzynią korbową, a przez otwór może przepływać olej chłodzący. Olej wypływa ze znanego tłoka przez otwór wylotowy, umieszczony orientacyjnie w środku tłoka (patrząc z góry). Wylot chłodziwa można również umieścić diametralnie naprzeciwko otworu wlotowego. W tym znanym tłoku cały pierścieniowy kanał znajduje się na pewnej wysokości tłoka.

Zapewnione jest w ten sposób chłodzenie obszaru zapłonu, tj. obszaru z tyłu pierścienia tłokowego, a także obszaru poniżej komory spalania. Natomiast otwory sworznia tłokowego, narażone na bardzo duże naprężenia zwłaszcza w wysokoobrotowych silnikach wysokoprężnych i obszary ich otoczenia, nie są dostatecznie chłodzone.

Niedogodność ta występuje również w tłoku znanym z opisu DE 195 22 756 A1, w którym chłodzenie obszaru z tyłu pierścieni tłokowych uzyskano dzięki otworom przebiegającym w kierunku osi tłoka.

Również w tłokach według opisu patentowego DE 34 44 661 A1 kanały chłodzenia, które rozmieszczono w układzie gwiaździstym, ukształtowano w taki sposób, aby chłodziły konkretny obszar z tył u pierś cieni tł okowych, a także obszar komory spalania. Zadowalają ce chł odzenie obszaru piasty sworznia tłokowego można zapewnić jedynie poprzez zastosowanie skomplikowanych rdzeni odlewniczych, jakie usuwa się tu z gotowych tłoków z dużym utrudnieniem. Kanały chłodzące tłoka znane z opisu patentowego DE 196 18 625 C1 mają porównywalnie prostszą budowę, lecz umieszczono je tak daleko od piasty sworznia tłokowego, że nie uzyskano odpowiedniego chłodzenia w tej strefie.

Tłok z pierścieniowym kanałem chłodzenia, którego górna strona posiada asymetryczne rampy, a dolna strona przeloty przesunięte w kierunku obwodowym znany jest opisu patentowego DE 198 10 937, którego publikacja nie nastąpiła jeszcze przed datą zgłoszenia obecnego rozwiązania. Wydatny przepływ oleju poprzez takie kanały chłodzenia nie został zatem sprawdzony.

Z opisu DE-PS 17 51 342 znany jest tłok silników spalinowych wewnętrznego spalania z pochylonymi lub poziomymi cylindrami, gdzie na wewnętrznych ścianach kanału chłodzenia wykonano wzajemnie przestawione stopnie, dla uzyskania wydajnego doprowadzenia i przepływu w kanale chłodzenia, również w pochylonych tłokach. Jednakże kanał chłodzenia jest tu również zbyt odległy od obszaru piasty sworznia tłokowego dla zapewnienia wystarczającego chłodzenia tej strefy w nowoczesnych, wysokoobrotowych silnikach wysokoprężnych. Ponadto, złożona budowa wewnętrzna takiego kanału chłodzenia wymaga zastosowania złożonych rdzeni odlewniczych.

Tłok chłodzony cieczą, według wynalazku, do silników spalinowych wewnętrznego spalania, posiadający pierścieniowy kanał chłodzenia, lub kanał składający się z licznych pierścieniowych sekcji, mający identyczny przekrój poprzeczny na swej długości, charakteryzuje się tym, że kanał chłodzenia jest ułożony co najmniej w sekcjach faliście w kierunku osi tłoka, przy czym odległość w kierunku osi tłoka pomiędzy najniższym punktem zagłębienia fali i najwyższym punktem grzbietu fali wynosi co najmniej 1,5 krotności odległości pomiędzy najniższym punktem zagłębienia fali i najwyższym punktem kanału chłodzenia w jego falistym przebiegu odpowiadającej przekrojowi poprzecznemu kanału chłodzenia.

Korzystnym jest, gdy grubość ścianki pomiędzy kanałem chłodzenia i rowkami pierścieni tłokowych jest zawarta w przedziałach 0-10 mm, korzystnie 0-5 mm, bardziej korzystnie 0-2 mm.

Liczba pełnych przebiegów fal w jednej połowie kanału chłodzenia jest nieparzysta, zaś grzbiet fali jest usytuowany osiowo powyżej otworu sworznia tłokowego.

Korzystnym jest, gdy przekrój poprzeczny kanału chłodzenia jest pochylony na zewnątrz.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest to, że uzyskano tłok chłodzony cieczą, który jest łatwy do wykonania, zapewnione jest wydajnie chłodzenie obszaru pierścienia oraz obszaru piasty sworznia tłokowego i który spełnia wymagania w zakresie wytrzymałości tłoka.

Przez to, że kanał chłodzenia ma zasadniczo stały przekrój na swym przebiegu falistym i przechodzi od obszaru za pierścieniami tłokowymi w pewnych sekcjach bliżej piasty sworznia tłokowego, niż w przypadku innych znanych tłoków, zapewnione jest wydajne chłodzenie obu obszarów. Ponadto,

PL 198 900 B1 falista budowa daje dodatkową zaletę, dzięki której kanał chłodzenia jest dłuższy od znanych kanałów chłodzenia oraz ma dłuższą powierzchnię chłodzenia, co zwiększa wydajność chłodzenia. Falisty kształt kanału chłodzenia umożliwia zmniejszenie odległości pomiędzy kanałem chłodzenia i rowkiem pierścienia tłokowego, ponieważ za rowkami pierścieni tłokowych występuje wystarczająca ilość materiału w każdym falistym przelocie, przez co spełniono ogólne wymagania wytrzymałościowe. Falisty kształt kanału chłodzenia zapewnia, w odróżnieniu od znanych kanałów pozostających na jednym poziomie, że olej chłodzący nie przepływa wprost, lecz pozostaje w kanale chłodzenia przez dłuższy czas i może pochłaniać więcej ciepła. Ostatecznie, w odróżnieniu do znanych kanałów, chłodzenie miejsc otaczających kanał chłodzenia występuje nie tylko po jednej jego stronie. W pewnym zakresie, kanał chłodzi nie tylko obszary otoczenia, lecz dzięki falistości chłodzenie następuje od falistego przelotu oraz od obu sąsiednich grzbietów fali w kierunku grzbietu fali. Taki rodzaj działania również poprawia charakterystykę chłodzenia. Podczas testów szczególnie korzystna okazała się jedna z konstrukcji kanału chłodzenia, w której odległość pomiędzy falistym przelotem oraz grzbietem fali przekraczała 1,5 krotności przekroju kanału chłodzenia. Innymi słowy, zmierzona odległość w kierunku osi tłoka pomiędzy najniższym punktem falistego przelotu i najwyższym punktem grzbietu fali wynosiła przynajmniej 1,5 krotności odległości pomiędzy najniższym punktem przebiegu falowego i najwyższym punktem kanału chłodzenia w falistym przebiegu, co odpowiada przekrojowi sekcji kanału chłodzenia. Środki według wynalazku korzystnie umożliwiają zmniejszenie grubości ścianki pomiędzy kanałem chłodzenia i rowkami pierścieni tłokowych, które są zawarte w przedziale 0-10 mm, korzystnie 0-5 mm i zwł aszcza 0-2 mm. Dla poprawy chł odzenia kanał chł odzenia moż e tu przebiegać szczególnie blisko rowków pierścieni tłokowych, a nawet może stykać się z nimi, przez co wewnętrzne powierzchnie rowków będą z przerwami łączyć się z kanałem chłodzenia. Grubość ścianki, potrzebną dla zapewnienia wystarczającej stabilności, uzyskano tu dzięki falistemu przebiegowi przelotów. Konstrukcja falistego kanału chłodzenia, korzystnie powinna zawierać nieparzystą liczbę pełnych przebiegów falistych w jednej połowie pierścieniowego przelotu kanału chłodzenia. To znaczy, w wyobrażalnym przekroju rzutu bocznego wystąpi nieparzysta liczba grzbietów fali i grzbiet fali znajdzie się ponad otworem sworznia tłokowego. Przy parzystej liczbie usytuowanie falistego przelotu w pewnych sytuacjach dawałoby za małą grubość materiału pomiędzy przelotem i otworem sworznia tłokowego. Można w ten sposób uniknąć niepożądanego osłabienia tłoka, dzięki nieparzystej liczbie falistości oraz umieszczeniu grzbietu fali ponad otworem sworznia tłokowego, który wobec tego kształtu szczególnie dobrze przystaje do górnej połowy otworu sworznia tłokowego. Ostatecznie, szczególnie korzystna okazała się owalna konstrukcja przekroju poprzecznego kanału chłodzenia, korzystnie pochylona na zewnątrz. To znaczy, w widoku bocznym górna sekcja owalnego kształtu kanału chłodzenia znajduje się bliżej zewnętrznej ściany tłoka niż dolna sekcja.

Przedmiot wynalazku jest opisany w przykładach wykonania na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia tłok według wynalazku, schematycznie w rzucie z boku, fig. 2 - tłok według wynalazku, w częściowym przekroju rzutu bocznego, fig. 3 - wnętrze kanału chłodzenia tłoka według wynalazku, w widoku perspektywicznym.

Jak to przedstawiono na fig. 1 tłok 10 w swej górnej części posiada rowek pierścienia tłokowego 14. Chłodzenie obszaru rowka oraz obszaru otaczającego piastę sworznia musi być szczególnie wydajne. W tym celu wykonano pierś cieniowy (w widoku z góry) kanał chł odzenia 16, przebiegają cy równolegle do obwodu tłoka.

Dla połączenia wydajnego chłodzenia obszaru rowka 14 oraz obszarów otaczających piastę sworznia tłokowego 12 kanał 16 według wynalazku przebiega w kierunku osi 18 w sposób falisty, i przechodzi pomiędzy tymi dwoma obszarami. W zilustrowanym przykładzie grzbiet fali 20 szczególnie korzystnie umieszczono ponad piastą sworznia tłokowego 12, co wspólnie z innymi dodatkowymi grzbietami fali zapewnia wydajne chłodzenie obszaru rowka. Choć grubość ścianki pomiędzy grzbietami fali 20 i rowkiem 14 jest stosunkowo mała, zachowano wytrzymałość ogólną ponieważ grubość ścianki za rowkiem 14 nie uległa tak wyraźnemu zmniejszeniu, jak w obszarze falistego przelotu 22.

Dzięki falistym przelotom 22 kanał chłodzenia 16 przebiega szczególnie blisko piasty sworznia tłokowego 12 w tych sekcjach, przez co można również odpowiednio chłodzić obszar otaczający piastę sworznia tłokowego. Dzięki korzystnym środkom widocznym na fig. 1, zgodnie z którymi w jednej połówce kanału chłodzenia występuje nieparzysta liczba pełnych grzbietów fali, grzbiet fali pokazany w przykł adzie na fig. 1 znajduje się powyż ej piasty sworznia tł okowego 12, przez co zachowano wystarczającą grubość ścianki w tym obszarze.

PL 198 900 B1

Obszar ten odmiennie zaprojektowano w przykładzie szczegółowo pokazanym na fig. 2. Jednakże i w tym przykładzie również zachowano wystarczającą grubość materiału w obszarze powyżej otworu sworznia tłokowego 12, dzięki praktycznej konstrukcji falistego kanału chłodzenia 16. Rowek 14, do którego kanał chłodzenia 16 dochodzi porównywalnie blisko w obszarze grzbietu fali, pokazano po lewej połowie przekroju na fig. 2. Według fig. 2 można również zauważyć, że kanał chłodzenia 16 ma kształt owalny, przebiegający w kierunku osi tłoka 18, względem której odchyla się nieco na zewnątrz. Na fig. 2 ponadto pokazano, że odległość od najniższego punktu falistego przelotu 22 do najwyższego punktu grzbietu fali 20 jest w przybliżeniu dwukrotnie większa od odległości w przekroju kanału chłodzenia pokazanym w rzucie bocznym na fig. 2.

Na fig. 3 pokazano w widoku perspektywicznym wnętrze kanału chłodzenia 16. Rdzeń odlewniczy umieszczany w odlewie tłoka 10 według wynalazku może w pewnym stopniu odpowiadać w przybliżeniu konstrukcji pokazanej na fig. 3. Można zauważyć, że kanał chłodzenia 16 w tym przykładzie posiada dwa obszary wlotu/wylotu 26 leżące diametralnie naprzeciw siebie, których przekrój w przybliżeniu jest dwukrotnie większy od pola przekroju kanału chłodzenia. Począwszy od obszaru wlotu/wylotu 26 kanał chłodzenia 16 zbudowano w postaci dwóch pierścieniowych segmentów w widoku z góry, z których każdy ma w przybliżeniu kształt półkolisty. Zasadniczo pierścieniowa budowa kanału chłodzenia 16 będzie zatem widoczna wraz z obszarami wlotu/wylotu. Poczynając od obszaru wlotu/wylotu 26 kanał chłodzenia dochodzi najpierw do pierwszego grzbietu fali 20a w kierunku denka tłoka. Falisty przelot 22a i trzy pełne grzbiety fali 22a, 20b, 20c i 20d występują za pierwszym grzbietem fali 20a, przed dojściem kanału chłodzenia do przeciwnego obszaru wlotu/wylotu 26 poprzez grzbiet fali 20e. Drugi półkolisty pierścieniowy kanał chłodzenia 16 zbudowano w podobny sposób.

Jak podano uprzednio w odniesieniu do fig. 1, nieparzysta ilość, w tym przypadku pięć pełnych przebiegów falistych w pierwszej połowie kanału chłodzenia 16 opisanego powyżej, prowadzi do utworzenia grzbietu fali 20c leżącego ponad otworem sworznia tłokowego. W ten sposób zapewniono, jak wspomniano powyżej, żądaną grubość ścianki oraz wydajne chłodzenie obszaru otaczającego otwór sworznia tłokowego, dzięki szczególnym środkom sąsiadujących falistych przebiegów 22b i 22c.

Dzięki grzbietowi fali 20 kanał chłodzenia o wnętrzu pokazanym na fig. 3 przebiega szczególnie blisko rowka w tłoku, przez co również ten obszar jest wydajnie chłodzony. Ponadto, w wyniku zwiększenia wewnętrznej powierzchni kanału chłodzenia w porównaniu z kształtem kanału chłodzenia pozostającego stale na jednym poziomie, a także dłuższego czasu przebywania oleju chłodzącego, poprawiono charakterystykę chłodzenia. Jak również wynika z fig. 3, budowa wnętrza kanału chłodzenia 16 w całości tworzy kształt koronowy.

Claims (4)

1. Tłok chłodzony cieczą do silników spalinowych wewnętrznego spalania, posiadający pierścieniowy kanał chłodzenia, lub kanał składający się z licznych pierścieniowych sekcji, mający identyczny przekrój poprzeczny na swej długości, znamienny tym, że kanał chłodzenia (16) jest ułożony co najmniej w sekcjach faliście w kierunku osi (18) tłoka, przy czym odległość w kierunku osi tłoka (18) pomiędzy najniższym punktem zagłębienia fali i najwyższym punktem grzbietu fali wynosi co najmniej 1,5 krotności odległości pomiędzy najniższym punktem zagłębienia fali i najwyższym punktem kanału chłodzenia (16) w jego falistym przebiegu (22) odpowiadającej przekrojowi poprzecznemu kanału chłodzenia (16).

2. Tłok według zastrz. 1, znamienny tym, że grubość ścianki pomiędzy kanałem chłodzenia (16) i rowkami pierścieni tłokowych (14) jest zawarta w przedziałach 0-10 mm, korzystnie 0-5 mm, bardziej korzystnie 0-2 mm.

3. Tłok według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że liczba pełnych przebiegów fal w jednej połowie kanału chłodzenia (16) jest nieparzysta, zaś grzbiet (20c) fali jest usytuowany osiowo powyżej otworu sworznia tłokowego (12).

4. Tłok według zastrz. 1, znamienny tym, że przekrój poprzeczny kanału chłodzenia (16) jest pochylony na zewnątrz.