RU2381863C2

RU2381863C2 - Mould core of cooling jacket of head of diesel engine cylinders with liquid cooling

Info

Publication number: RU2381863C2
Application number: RU2008108862/02A
Authority: RU
Inventors: Николай Константинович Шишкин (RU); Николай Константинович Шишкин; Михаил Андреевич Миронычев (RU); Михаил Андреевич Миронычев; Владимир Михайлович Березин (RU); Владимир Михайлович Березин; Федор Полиектович Белов (RU); Федор Полиектович Белов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Заволжский моторный завод"
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2010-02-20
Also published as: RU2008108862A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to foundry. Mould core consists of two halves, connected to each other without the clearance. Surface of bars connector separates cooling jacket for equal parts by height from bottom plate of cylinders head up to its top wall.

EFFECT: due to optimum shape of cooling jacket it is provided effective cooling of cylinders head, reduction of steel intensity of head and cost of price of cast manufacturing.

3 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к конструкциям литейных стержней рубашки охлаждения головки цилиндров двигателей внутреннего сгорания.The invention relates to engine building, and in particular to structures of foundry cores of a jacket for cooling the cylinder head of internal combustion engines.

Известен литейный стержень для изготовления рубашки охлаждения головки цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением (см. патент Японии №2000034950 от 02.02.2000 г., МПК F02F 1/24), содержащий рубашку охлаждения с каналами для подвода охлаждающей жидкости к стенкам камер сгорания, седлам клапанов, распылителям топливных форсунок и направляющих втулок, состоящий из двух стержней, соединенных между собой посредством трубок, которые в последствии остаются в отливке и образуют колодцы для размещения свечей зажигания или топливных форсунок (в зависимости от назначения головки). Кроме этого трубки используются для фиксирования стержней в литейной форме и направленного охлаждения отливки с целью получения более плотной структуры литья в зонах стенок камер сгорания. Стержни расположены таким образом, что после их удаления из отливки водяная рубашка оказывается разделенной на две полости, которые делят поток охлаждающей жидкости, поступающей в головку, на два направления: одно к стенкам камер сгорания, седлам клапанов, свечам зажигания (распылителям топливных форсунок), другое к направляющим клапанов и другим нагретым поверхностям.Known foundry core for the manufacture of a jacket for cooling the cylinder head of a liquid-cooled internal combustion engine (see Japan Patent No. 2000034950 dated 02.02.2000, IPC F02F 1/24), comprising a cooling jacket with channels for supplying coolant to the walls of the combustion chambers, valve seats, atomizers of fuel nozzles and guide bushings, consisting of two rods interconnected by tubes, which subsequently remain in the casting and form wells to accommodate spark plugs or fuel filters figure (depending on the purpose of the head). In addition, the tubes are used for fixing the rods in the mold and directed cooling of the casting in order to obtain a denser casting structure in the zones of the walls of the combustion chambers. The rods are arranged in such a way that after they are removed from the casting, the water jacket is divided into two cavities that divide the flow of coolant entering the head into two directions: one to the walls of the combustion chambers, valve seats, spark plugs (fuel nozzles) another to valve guides and other heated surfaces.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве недостатком является наличие большого количества компонентов в литейной оснастке, повышающих стоимость отливок и требующих применения сложного литейного оборудования. При этом существует вероятность возникновения в литье неспая между трубками и основным металлом головки, что в последствии может привести к разгерметизации камер сгорания, рубашки охлаждения и отказам двигателя.For reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known device, the disadvantage of the known device is the presence of a large number of components in the foundry tool, which increase the cost of castings and require the use of complex foundry equipment. At the same time, there is a likelihood that the casting will not cause a gap between the tubes and the base metal of the head, which can subsequently lead to depressurization of the combustion chambers, cooling jacket and engine failures.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является литейный стержень рубашки охлаждения головки цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением (см. патент ЕПВ №1143135, МПК F02F 1/36, 10.10.2001) с каналами для подвода охлаждающей жидкости к стенкам камер сгорания, седлам клапанов, распылителям топливных форсунок и направляющих втулок клапанов, состоящий из двух стержней, имеет два продольно расположенных параллельных канала (один со стороны впуска, другой со стороны выпуска) и центральный канал, разделенный на верхнюю и нижнюю части, причем верхняя часть центрального канала сообщается с каналом со стороны выпуска, а нижняя часть центрального канала сообщается с каналом со стороны впуска.The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of features is the foundry core of the cooling jacket of the cylinder head of a liquid-cooled internal combustion engine (see EPO Patent No. 1143135, IPC F02F 1/36, 10/10/2001) with channels for supplying coolant to the walls of the combustion chambers, valve seats, atomizers of the fuel nozzles and valve guides of the valves, consisting of two rods, has two longitudinally parallel channels (one on the intake side, the other on the exhaust side ) and the central channel, divided into upper and lower parts, the upper part of the central channel communicating with the channel from the exhaust side, and the lower part of the central channel communicating with the channel from the inlet side.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что при его реализации в рубашке охлаждения головки цилиндров протекает несколько отдельных (изолированных друг от друга) потоков охлаждающей жидкости, что при экстремальных температурных нагрузках из-за ограниченной пропускной способности отдельных каналов создает дефицит охлаждающей жидкости в зонах с высокой температурой, может вызвать локальные перегревы в головке цилиндров и привести к структурным изменениям материала головки, ее разрушению и отказам двигателя, кроме того, наличие локальных перегревов в материале головки (полей с различным уровнем температур) приводит к возникновению температурных напряжений в узлах силовых элементов головки и деформациям рабочих поверхностей, что также снижает ресурс и надежность двигателя. Кроме того, наличие формовочных уклонов по всей высоте рубашки охлаждения и многочисленных перегородок, уменьшающих проходные сечения каналов, увеличивает массу головки и усложняет литейную оснастку в том числе за счет необходимости подведения к массивным узлам отливки дополнительных питателей.The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known device adopted for the prototype include the fact that when it is realized, several separate (isolated from each other) coolant flows in the cooling jacket of the cylinder head, which, under extreme temperature loads, due to the limited throughput of individual channels creates a shortage of coolant in areas with high temperature, it can cause local overheating in the cylinder head and lead to structural changes in the head material, its destruction and engine failures, in addition, the presence of local overheating in the head material (fields with different temperature levels) leads to thermal stresses in the nodes of the head power elements and deformations of the working surfaces, which also reduces the resource and engine reliability. In addition, the presence of molding slopes along the entire height of the cooling jacket and numerous partitions that reduce the passage sections of the channels increases the mass of the head and complicates the casting equipment, including due to the need to bring additional feeders to the massive casting units.

Сущность изобретения заключается в разработке литейных стержней для образования каналов рубашки охлаждения головки цилиндров с целью обеспечения эффективного охлаждения высоко нагретых элементов головки цилиндров, получения отливки наиболее экономичным способом и уменьшения металлоемкости детали.The essence of the invention lies in the development of foundry cores for the formation of channels of the cylinder head cooling jacket in order to ensure effective cooling of highly heated cylinder head elements, to obtain castings in the most economical way and to reduce the metal consumption of the part.

Технический результат - применение данной конструкции литейного стержня позволяет получить оптимальную форму рубашки охлаждения головки цилиндров двигателя внутреннего сгорания для обеспечения эффективного охлаждения стенок камер сгорания, седел, распылителей топливных форсунок и направляющих втулок клапанов головки цилиндров; снижения металлоемкости головки и себестоимости производства отливок.EFFECT: application of this design of the foundry core allows to obtain the optimal shape of the cooling jacket for the cylinder head of the internal combustion engine to ensure effective cooling of the walls of the combustion chambers, seats, atomizers of fuel nozzles and valve guides of the cylinder heads; reducing the metal consumption of the head and the cost of production of castings.

Указанный технический результат достигается тем, что в литейном стержне рубашки охлаждения головки цилиндров дизельного двигателя с жидкостным охлаждением, содержащем каналы для подвода охлаждающей жидкости к стенкам камер сгорания, к седлам клапанов, к распылителям топливных форсунок и направляющим втулок клапанов, состоящем из двух стержней, особенностью является то, что стержни в процессе сборки литейной формы соединяются между собой без зазора и образуют в литье единую, не разделенную сплошными перегородками на отдельные каналы полость рубашки охлаждения и поверхность их разъема делит рубашку охлаждения от нижней плиты головки цилиндров до её верхней стенки на равные части по высоте, уменьшая протяженность формовочных уклонов, а формовочные уклоны на литейных стержнях имеют минимально возможную протяженность или совпадают с естественными уклонами конструктивных элементов головки цилиндров, что минимизирует массу технологических заливов от формовочных уклонов и позволяет получить в литье рубашку охлаждения с максимально свободным доступом охлаждающей жидкости к охлаждаемым поверхностям. Кроме того, как минимум один из установочных элементов литейного стержня имеет поверхность, образующую при литье поверхность или часть поверхности наружной стенки головки цилиндров, что позволяет сократить количество стержней в литейной форме и повысить точность отливки.The specified technical result is achieved by the fact that in the foundry core of the cooling jacket of the cylinder head of a liquid-cooled diesel engine containing channels for supplying coolant to the walls of the combustion chambers, to the valve seats, to the atomizers of the fuel nozzles and valve guide guides consisting of two rods, a feature is that the rods in the process of assembling the mold are interconnected without a gap and form a single cast, not divided by solid partitions into separate channels The thickness of the cooling jacket and the surface of their connector divides the cooling jacket from the bottom plate of the cylinder head to its upper wall into equal parts in height, reducing the length of the molding slopes, and the molding slopes on the casting rods have the smallest possible length or coincide with the natural slopes of the structural elements of the cylinder head, which minimizes the mass of technological gulfs from molding slopes and allows you to get a cooling jacket in casting with maximum free access to coolant awnings to the cooled surfaces. In addition, at least one of the mounting elements of the casting rod has a surface forming a surface or part of the surface of the outer wall of the cylinder head during casting, which reduces the number of cores in the mold and improves the accuracy of casting.

На фиг. 1 изображен вид головки цилиндров сверху; на фиг.2 - сечение Е-Е головки цилиндров; на фиг.3 - сечение Д-Д головки цилиндров; на фиг.4 - комплект литейной оснастки (литейная форма), вид сверху; на фиг.5 -сечение А-А литейной формы; на фиг.6 - общий вид стержня рубашки охлаждения головки цилиндров в сборе; на фиг.7 - общий вид нижней части стержня рубашки охлаждения головки цилиндров; на фиг.8 - стержень рубашки охлаждения головки цилиндров, вид сверху; на фиг.9 - сечение С-С стержня рубашки охлаждения головки цилиндров; на фиг.10 - сечение В-В стержня рубашки охлаждения головки цилиндров.In FIG. 1 shows a top view of a cylinder head; figure 2 is a cross-section EE of the cylinder head; figure 3 is a section DD of the cylinder head; figure 4 - set of foundry equipment (mold), top view; figure 5 is a cross section aa of the mold; in Fig.6 is a General view of the stem of the shirt cooling the cylinder head assembly; Fig.7 is a General view of the lower part of the rod of the jacket cooling the cylinder head; on Fig - rod cooling jacket for the cylinder head, top view; figure 9 is a section CC of the shaft of the cylinder head cooling jacket; figure 10 is a cross-section bb of the rod of the cylinder head cooling jacket.

Литейный стержень, образующий в литье рубашку охлаждения 2 головки цилиндров 1 дизельного двигателя с жидкостным охлаждением, состоит из двух литейных стержней верхнего 3 и нижнего 4, соединенных между собой без зазора, и содержит поверхность разъема 5, установочные элементы 6, 7, 8, при этом элементы 6 и 8 вынесены за пределы рубашки охлаждения головки, а элементы 7 образуют в литье протоки для подвода охлаждающей жидкости в головку из блока цилиндров, поверхности 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, на которых формовочные уклоны совпадают с естественным наклоном конструктивных элементов, поверхности 16, на которых формовочные уклоны по высоте рубашки охлаждения 2 поверхностью разъема 5 уменьшены в два раза, участки поверхностей 17, образованные ломанной (Z-образной) поверхностью разъема стержневого (формовочного) ящика, поверхности 18 и 19 (на установочном элементе 8), образующие в литье внешнюю заднюю стенку головки цилиндров 1, поверхности 20 и 21, образующие в литье стенки газовых каналов, полости для установки стержней 22 впускных и 23 выпускных каналов, а также другие полости, выемки, выступы для образования в литье различных конструктивных элементов головки цилиндров 1 (бобышек под резьбовые отверстия, ребер жесткости, колодцев под топливные форсунки, под свечи накаливания и др.).The foundry core forming a cooling jacket 2 of the cylinder head 1 of a liquid-cooled diesel engine in molding consists of two casting cores of the upper 3 and lower 4, interconnected without a gap, and contains the surface of the connector 5, mounting elements 6, 7, 8, with this elements 6 and 8 are taken outside the head cooling jacket, and elements 7 form ducts in the molding for supplying coolant to the head from the cylinder block, surfaces 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, on which the molding slopes coincide with natural tilt to structural elements, surface 16, on which the forming slopes along the height of the cooling jacket 2 are reduced by half by the surface of the connector 5, sections of surfaces 17 formed by the broken (Z-shaped) surface of the connector of the core (molding) box, surface 18 and 19 (on the mounting element 8), forming the outer rear wall of the cylinder head 1 in casting, surfaces 20 and 21, forming the walls of the gas channels in the casting, cavities for installing the rods 22 of the inlet and 23 exhaust channels, as well as other cavities, recesses, protrusions for formed I in molding various structural elements of the cylinder head 1 (for the tapped holes of bosses, stiffeners, wells under the fuel injectors and glow plugs under al.).

Работа осуществляется следующим образом. При сборке литейной формы стержни, образующие рубашку охлаждения 2, устанавливаются в следующей последовательности: первым устанавливается нижний стержень 4, образующий нижнюю часть рубашки охлаждения 2, далее поочередно устанавливаются стержни 22 впускных и 23 выпускных газовых каналов, после чего устанавливается верхний стержень 3, образующий верхнюю часть рубашки охлаждения 2. Во избежание образования заливов узких мест 24, 25, 26 в рубашке охлаждения 2 по поверхности 5 разъема (соединения) стержней, из-за неплотного соединения стержней в литейной форме верхний 3 и нижний 4 стержни в местах вероятных заливов соединяются при помощи клея. При заполнении жидким металлом литейной формы рубашка охлаждения головки цилиндров 1 образуется за счет вытеснения части металла телом стержня, при этом форма поверхности рубашки охлаждения 2 полностью повторяет форму стержня без учета поверхностей, образованных поверхностями 18 и 19 установочного элемента 8, который формирует наружную поверхность задней стенки головки цилиндров 1. На работающем двигателе с предложенной (не разделенной) полостью рубашки охлаждения 2 головки цилиндров 1 тепло от нагретых частей головки 1 отводится во весь объем охлаждающей жидкости, находящийся в рубашке охлаждения 2, при этом эффективность охлаждения повышается в том числе за счет интенсивного перемешивания большого объема охлаждающей жидкости конвективными потоками, образующимися над нагретыми поверхностями, что также способствует выравниванию температурных полей по всему объему головки 1, снижению температурных напряжений в узлах силовых элементов головки 1 и деформаций рабочих поверхностей.The work is as follows. When assembling the mold, the rods forming the cooling jacket 2 are installed in the following sequence: first, the lower rod 4, which forms the lower part of the cooling jacket 2, is installed, then the rods 22 of the inlet and 23 exhaust gas channels are alternately installed, after which the upper rod 3, forming the upper part of the cooling jacket 2. To avoid the formation of gulfs of bottlenecks 24, 25, 26 in the cooling jacket 2 on the surface 5 of the connector (connection) of the rods, due to loose connection of the rods in lit In their best form, the upper 3 and lower 4 rods in places of probable bays are connected with glue. When a mold is filled with liquid metal, the cylinder head cooling jacket 1 is formed due to the displacement of part of the metal by the body of the rod, while the surface shape of the cooling jacket 2 completely repeats the shape of the rod without taking into account the surfaces formed by the surfaces 18 and 19 of the mounting element 8, which forms the outer surface of the rear wall cylinder heads 1. On a running engine with the proposed (not divided) cavity of the cooling jacket 2 cylinder heads 1, heat from the heated parts of the cylinder head 1 is removed in full the amount of coolant in the cooling jacket 2, while the cooling efficiency is increased, including due to the intensive mixing of a large volume of coolant with convective flows formed over heated surfaces, which also helps to equalize temperature fields throughout the entire volume of head 1, to reduce temperature stresses in nodes of the power elements of the head 1 and deformation of the working surfaces.

Преимущество изобретения состоит в том, что по сравнению с известными конструкциями литейных стержней рубашек охлаждения головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания предложенная форма и соединение стержней, образующих рубашку охлаждения, позволяют организовать поток охлаждающей жидкости таким образом, чтобы обеспечить эффективное охлаждение стенок камер сгорания, седел клапанов газораспределения, распылителей топливных форсунок и направляющих втулок клапанов, обеспечить высокую технологичность отливки головки цилиндров с минимально возможной массой, повысить надежность двигателя за счет уменьшения температурных напряжений и деформаций в головке.An advantage of the invention is that, in comparison with the known designs of casting rods of cooling jackets for cylinder heads of internal combustion engines, the proposed shape and connection of the rods forming the cooling jacket allow the flow of coolant to be organized in such a way as to ensure efficient cooling of the walls of the combustion chambers and gas valve seats. , atomizers of fuel nozzles and valve guides, to ensure high adaptability of casting cylinder heads with minimum possible mass, to increase engine reliability by reducing temperature stresses and deformations in the head.

Claims

1. The foundry core of the cooling jacket of the cylinder head of a liquid-cooled diesel engine with channels for supplying coolant to the walls of the combustion chambers, valve seats, atomizers of the fuel nozzles and valve guide vanes, consisting of two rods, characterized in that for the formation of a single cavity cooling jackets the rods are interconnected without a gap, and the surface of their connector divides the cooling jacket from the bottom plate of the cylinder head to its upper wall into equal parts in height.

2. The foundry core according to claim 1, characterized in that the molding slopes on the foundry cores are made as minimal as possible or coincide with the natural slopes of the structural elements of the cylinder head.

3. The foundry core according to claim 1, characterized in that at least one of the mounting elements of the foundry core has a surface that forms when casting the surface or part of the surface of the outer wall of the cylinder head.