Двигатель внутреннего сгорания и указатель уровнямасла - RU2122645C1

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к корпусным деталям двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и элементам системы смазки.

Как правило, масляные поддоны ДВС выполняются в виде единой детали - литой, воспринимающей часть нагрузок, деформирующих нижнюю часть блока цилиндров (блок-картера) и увеличивающих его (блок-картера) жесткость, или более дешевого в изготовлении варианта в виде легкой тонкостенной цельноштампованной детали из листовой стали, закрепленной через уплотнительную прокладку к блоку-картеру двигателя и динамически легко деформируемой в зоне присоединения к монтажной зоне - плоскости разъема блок-картера. Конструкции масляных поддонов (МП), являющиеся сборниками масла, должны удовлетворять по крайней мере двум основным требованиям: иметь хороший теплоотвод наружной поверхности стенок для охлаждения масла и малый уровень шума, излучаемый вибрирующими стенками поддона в окружающую среду (низкий корпусной звук).

Известен масляный поддон ДВС автомобиля ВАЗ-2108 (В.А. Вершигора и др. Автомобиль "ВАЗ-2108". -М. : ДОСААФ СССР, 1986, с. 67, рис. 32, поз.20), который представляет собой однослойную тонкостенную, цельноштампованную из металлического листа деталь, снабженную фланцем крепления к блоку цилиндров ДВС. Картер имеет необходимую развитую площадь - поверхность теплосъема, а внутри его полости содержится моторное масло.

Конструкция описанного масляного поддона обеспечивает достаточно эффективный теплоотвод, однако подверженный сильным вибрационным воздействиям, динамически деформируемый, колеблющийся тонкостенный металлический поддон, имеющий развитую поверхность, является достаточно эффективным излучателем звуковой энергии в окружающую среду, что является его существенным конструктивным недостатком.

Этот недостаток частично устраняется в техническом решении (заявка Франции 2398887, кл. F 02 F 11/00, публ. 13.03.79), где поддон крепится к блоку-картеру через специальные промежуточные эластичные виброизолирующие элементы, частично ослабляющие динамическое возбуждение стенок и соответственно уменьшающие излучаемый поддоном структурный звук.

Однако конструктивно и технологически это достаточно сложное решение, увеличивающее материалоемкость и номенклатуру изделия, при недостаточно эффективном подавлении корпусного звука вследствие ограниченных виброизолирующих качеств эластичных элементов и потери этих качеств в процессе эксплуатации из-за длительного воздействия высокотемпературных и динамических нагрузок.

Известен масляный картер (заявка Японии 63-18019, кл. F 02 F 7/00, публ. 15.04.88, БИ 5451), выполненный из композиционного трехслойного материала "металл-пластик-металл" (МПМ). Благодаря достаточно высоким вибродемпфирующим свойствам используемых углеродных нитей и упруговязким свойствам пластикового слоя с низкой температурой размягчения обеспечивается рассеивание энергии вибраций и снижение корпусного шума масляного картера в области средних и высоких частот звукового спектра.

Являясь эффективным с точки зрения улучшения шумовибродемпфирующих качеств, материал МПМ в это же время является достаточно дорогим в изготовлении, технологически плохо подвержен глубокой вытяжке (известные трудности имеют место в производстве масляных поддонов), что может увеличивать количество брака при изготовлении поддонов из МПМ, а также обладает ухудшенным теплоотводом вследствие наличия в материале изоляционного пластикового слоя, что либо вынуждает применять или увеличивать производительность масляного радиатора, либо использовать дополнительные средства для охлаждения моторного масла, например направленный интенсивный принудительный обдув поддона.

Известны многочисленные технические решения, в которых в той или иной мере одновременно решаются обе обозначенные проблемы. В частности, это относится к улучшению теплоотвода от стенок поддона и уменьшению вибровозбудимости стенок поддона и, таким образом, снижению корпусного шума, излучаемого масляным картером в окружающую среду. Так, для уменьшения вибровозбудимости структуры масляного поддона применяют различного рода упоры-демпферы и усиливающие элементы (заявка Германии 4027242, кл. F 02 B 77/13, публ. 05.03.92; ЕПВ 0497753, кл. F 02 F 7/00, публ. 05.08.92; заявка Японии 63-61757, кл. F 02 F 1/00, публ. 17.03.88). Либо панель поддона снабжают специальными ребрами жесткости (заявка Японии 1-247746, кл. F 02 F 7/00, публ. 03.10.89; авт. св. СССР 1083923). В известном техническом решении (заявка Японии 63-21010, кл. F 02 B 77/13, публ. 16.06.80) дно масляного картера выполнено из двух, размещенных с зазором и виброизолированных друг от друга панелей (стенок).

Однако описанные выше технические решения достаточно сложны, материалоемки и нетехнологичны.

Все описанные выше технические решения имеют еще один общий недостаток, а именно отсутствие каких-либо специальных технических средств, позволяющих в холодное время года в условиях отрицательных температур окружающей среды перед запуском двигателя предварительно подогревать масло, которое под воздействием низких (отрицательных) температур окружающей среды загустевает, что с одной стороны приводит к нескольким попыткам запуска двигателя до его устойчивого пуска (это приводит к значительному расходу емкости электроэнергии аккумуляторной батареи) вследствие существенного роста механического сопротивления, а с другой стороны - приводит к прокрутке двигателя в условиях недостаточной подачи масла на его трущиеся поверхности (например, в паре: толкатель клапана - кулачок распредвала, опорах подшипников коленвала и распредвала и т.п.), что обуславливает повышенный фрикционный износ трущихся поверхностей и соответственно снижает ресурс и эффективные показатели двигателя в целом. Увеличение числа попыток запуска холодного двигателя в условиях низких температур окружающей среды связано и с резким увеличением токсичности двигателя ввиду неполноты сгорания сильно переобогащенной горючей смеси, накапливающейся в цилиндрах двигателя. Таким образом, данная проблема имеет важное экологическое значение (шум, токсичность). Пути решения этой проблемы описаны в патенте США N 4815431, кл. F 01 M 1/00, публ. 28.03.89, экономическом патенте ГДР N 272335, кл. F 01 M 5/02, публ. 04.10.89, где для облегчения запуска двигателя при низких температурах окружающей среды осуществляют предварительный подогрев масла в масляном поддоне специальными автономными или штатными электроподогревателями. Специальные средства электроподогрева применяются и в устройствах (авт. св. СССР NN 1020609 и 2041382, кл. F 02 N 17/04), которые сами по себе являются конструктивно сложными и дорогостоящими. Достаточно проблематичной является и компоновка этих устройств на двигателе.

Известно устройство для предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания (авт. св. СССР N1799074, кл. F 01 M 5/02, приоритет от 28.06.90), которое является автономным и монтируется на двигатель перед его запуском и предварительным прогревом.

В качестве прототипа выбран двигатель ВАЗ-2121 (В.А.Вершигора и др. Автомобиль ВАЗ-2121 "Нива". -М.: Транспорт, 1980, с. 6-7, рис. 2,3). Двигатель содержит закрепленный на нижней плоскости блок-картера масляный поддон, выполненный в виде тонколистовой корытообразной детали, и размещенные в поддоне пластинчатый успокоитель, маслоприемник и электроизолированный от корпуса двигателя указатель уровня масла, который представляет собой металлический стержень, часть которого размещена ниже уровня масла в поддоне, а противоположная часть снабжена герметичным посадочным наконечником, посредством которого указатель уровня установлен в специальном гнезде, выполненном в блок-картере двигателя.

Поддон описанного двигателя, имея развитую поверхность теплоотвода, эффективно отводит тепло со своей поверхности, особенно при движении автомобиля с высокими скоростями. Однако, имея простую, дешевую и высокотехнологичную конструкцию, развитая внешняя поверхность в виде сильновибрирующей оболочки излучает значительное количество звуковой энергии в окружающую среду. Кроме того, отсутствие в системе смазки двигателя средств предпускового прогрева масла затрудняет его запуск с первой попытки при низкой температуре и ухудшает условия смазки элементов двигателя в предпусковой период.

Задача изобретения - снижение шума двигателя, улучшение его пусковых качеств в условиях низких температур окружающей среды при одновременном обеспечении охлаждения смазывающего масла путем эффективного теплоотвода от стенок поддона, улучшение работы системы вентиляции картера при обеспечении простоты и высокой технологичности конструкции.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном двигателе внутреннего сгорания, содержащем закрепленный на нижней плоскости блок-картера масляный поддон, выполненный в виде тонколистовой корытообразной детали, и размещенные в поддоне пластинчатый успокоитель и элементы подачи масла в систему смазки двигателя, в частности это маслоприемник, масляный насос и электроизолированный от корпуса (блок-картера) двигателя стержень указателя уровня масла, названный двигатель дополнительно снабжен локальным электроподогревателем масла, успокоитель выполнен в виде перфорированной кассеты, с зазором и электроизолированно смонтированной на внутренней поверхности поддона с минимальным контактом с названной поверхностью, а электроподогреватель выполнен в виде по крайней мере части структуры кассеты, размещенной между заборником маслоприемника и днищем поддона, при этом по крайней мере эта часть структуры кассеты выполнена из высокоомного материала и имеет электрический контакт со стенкой поддона и торцом стержня масляного щупа, подключенного через термовыключатель к источнику электроснабжения.

Термовыключатель с возможностью электрического контакта смонтирован на обечайке и выполнен в виде пружинного биметаллического элемента, разъем которого размещен соосно стержню указателя уровня масла.

Кроме того, успокоитель может иметь ячеистую структуру (т.е. представлять собой объемную кассету), образованную смонтированными на обечайке (или сформированными за одно целое с ней) продольными и/или поперечными перфорированными пластинами и/или горизонтальными перфорированными пластинами. Кассета имеет открытые со стороны блок-картера полости под элементы подачи масла в систему смазки двигателя. По крайней мере обечайка может быть выполнена из виброшумодемпфирующего высокоомного материала, в частности пористого сетчатого материала, металлорезины и др. аналогичных материалов. Либо успокоитель (кассета) может быть целиком выполнен в виде единого литого моноблока из виброшумодемпфирующего высокоомного материала.

Оригинальной является и конструкция указателя уровня масла в поддоне, содержащем стержень из электропроводящего материала, через который подводится ток к электрическому подогревателю и на котором смонтированы ограничительный элемент из диэлектрического материала, посредством которого указатель установлен в гнезде корпуса двигателя, и держатель, при этом на держателе смонтированы упругий кнопочный включатель и электрическая клемма.

Наконечник стержня выполнен в виде съемного электрода из низкоомного материала.

При этом полностью сохраняется функциональное назначение указателя - контроль уровня масла в поддоне. При вдавливании включателя наконечник стержня входит в разъем пружинного биметаллического элемента, термовыключателя, закрепленного на обечайке, обеспечивая тем самым электроконтакт источника электроснабжения с электроподогревателем.

При таком конструктивном исполнении двигателя и указателя уровня масла их оригинальные элементы выполняют функции:
- пространственного демпфера структурных вибраций всей поверхности оболочки поддона;
- образующегося активного глушителя шума аэродинамического типа, заполняющего все замкнутое пространство поддона и поглощающего акустическую энергию, аккумулирующуюся в замкнутом пространстве масляного поддона;
- эффективного успокоителя объема масла в поддоне ввиду дробления общего пространства, заполненного маслом, структурой кассеты на отдельные малые объемы;
- эффективного гасителя газовых пульсаций, демпфируемых как локальными объемами каркаса кассеты, так и газопроницаемыми стенками каркаса кассеты, обеспечивающего улучшение функционирования системы вентиляции картера ввиду подавления пульсирующей составляющей газового потока;
- эффективного экономичного локального предпускового подогревателя масла, размещенного преимущественно в зоне заборника маслоприемника.

Сущность изобретения поясняется на чертежах.

На фиг. 1 показана часть блок-картера двигателя, на котором закреплен масляный поддон.

На фиг.2 показана установка в поддоне обечайки.

На фиг.3 показан вариант крепления обечайки в поддоне.

На фиг. 4 показана часть обечайки, которая выполняет функцию нагревательного элемента. Эта часть ограничена лучами ОА и ОБ.

На фиг. 5 показано вертикальное сечение обечайки по лучу АБ.

На фиг. 6 показана схема подключения указателя уровня масла к локальному электроподогревателю, положение - замкнуто.

На фиг. 7 аналогично фиг.6, положение - разомкнуто.

На фиг. 8 показан вариант съемного наконечника стержня указателя уровня масла.

Масляный поддон закреплен на нижней плоскости разъема блок-картера 1 ДВС и выполнен в виде тонколистовой корытообразной детали, включающей донную 2 и присоединительную 3 части и размещенные в донной части пластинчатый успокоитель 4 и элементы подачи масла в систему смазки ДВС, в частности маслоприемник 5 и стержень 6 указателя уровня масла. Успокоитель 4 выполнен в виде объемной перфорированной кассеты, образованной вертикальными продольными 7 и поперечными 8 перфорированными пластинами, которые закреплены на общем основании - обечайке 9, электроизолированно и с зазором смонтированном на внутренней поверхности поддона, с минимальным контактом с названной поверхностью. Кассета частично или полностью может быть выполнена из виброшумодемпфирующего материала, например пористого сетчатого материала. Электроподогреватель выполнен в виде по крайней мере части структуры кассеты - обечайки 9, размещенной между заборником 10 маслоприемника и донной частью 2 поддона. Эта часть обечайки 9 (например, охваченная лучами ОА и ОБ) выполняется из высокоомного материала и имеет электрический контакт 11 со стенкой поддона и торцом (или съемным наконечником) 12 стержня 6 указателя уровня масла, подключенного через термовыключатель 13 к источнику электроснабжения (штатному или автономному), например аккумулятору 14. Указатель уровня масла содержит стержень 6 из электропроводящего материала, на котором смонтирован ограничительный элемент 15 (полимерная втулка), посредством которого указатель установлен в гнезде 16 корпуса двигателя, и держатель, на котором смонтирован подпружиненный пружиной 17 кнопочный включатель (кнопка) с электрической клеммой 18, через которую подается электроток на стержень 6, наконечник которого 12 может быть штатным или съемным (заменяемым при необходимости в процессе эксплуатации). Термовыключатель 13 может быть выполнен в виде пружинного элемента (биметаллические пластины), приваренного к обечайке 9, в разъем которого при рабочем режиме электроподогревателя вводится стержень 6 или смонтированный на нем наконечник 12 из низкоомного материала.

Динамические процессы в ходе реализации рабочих процессов в ДВС в виде газовых сил, неуравновешенных сил и моментов инерции кривошипно-шатунного механизма вызывают динамические деформации структуры блок-картера 1 ДВС с соответствующим возбуждением и передачей колебательных процессов и изгибных динамических деформаций в присоединенные к нему корпусные детали и смонтированные навесные узлы ДВС с соответствующим переизлучением этой колебательной энергии в энергию упругих звуковых волн, излучаемых в окружающую среду в виде корпусного звука, являющегося нежелательным шумовым загрязнением окружающей среды.

С другой стороны, замкнутая внутренняя полость, образуемая блок-картером двигателя и масляным поддоном, динамически возбуждается газовыми пульсациями картерных газов, прорывающихся из надпоршневого пространства кривошипно-шатунного механизма, и пульсациями переменного газового объема вследствие возвратно-поступательного движения поршней ДВС.

Ввиду того что структура объемной кассеты как элемент наложения ограничительных динамических связей взаимодействует с многочисленными контактными зонами стенки (оболочки) по всей поверхности масляного поддона, обеспечивается увеличение изгибной жесткости масляного поддона в целом, уменьшается динамическая подвижность стенки (оболочки), что благоприятно сказывается на снижении корпусных вибраций и шума стенки. Такое многоточечное взаимодействие структур стенки поддона и элементов объемной кассеты эффективно и с точки зрения обеспечения процессов преобразования структурных деформаций стенки поддона в соответствующие демпфирующие деформации объемной структуры пространственной виброшумодемпфирующей кассеты.

В предлагаемом двигателе внутреннего сгорания значительная часть вибрационной энергии преобразуется в тепловую, а не в звуковую за счет эффективного демпфирования потока вибраций, трансформируемого от блок-картера 1 к структуре стенки масляного поддона пластинами успокоителя 4, выполненного в виде объемной кассеты, образованной перфорированными пластинами 7 и 8, которые смонтированы на общем перфорированном основании - обечайке 9, которая выполнена из высокоэффективного шумовибродемпфирующего материала, например ПСМ. Более того, за счет использования успокоителя в виде объемной перфорированной кассеты из виброшумодемпфирующего материала (пористого или прессованного сетчатого материала), обладающего свойствами газопроницания и звукопоглощения воздушных звуковых волн и рассеивания энергии газовых пульсаций, удается дополнительно поглотить звуковую энергию, передающуюся воздушным путем из зоны блок-картера в замкнутое внутреннее пространство масляного поддона, что, таким образом, дополнительно к структурной составляющей уменьшает воздушный шум, переизлучаемый стенками масляного поддона. Т.е. пластины кассеты и обечайки начинают помимо своей основной функции (предотвращение взбалтывания и вспенивания масла) выполнять попутно еще одну полезную функцию - активной фрикции глушителя воздушного шума и активного рассеивателя структурных вибраций стенок частей 2 и 3 поддона. Одновременно с этим наличие в пластинах кассеты и обечайки отверстий перфорации позволяет дополнительно регулировать степень демпфирования пульсаций картерных газов, что благоприятно сказывается на работе системы вентиляции картера двигателя вследствие снижения гидравлических сопротивлений транспортирования по трассе картерных газов с ослабленной пульсирующей составляющей массового расхода газов.

Используемый в качестве конструкционного, например, материал ПСА позволяет обеспечить дополнительное эффективное вибродемпфирование структурных изгибных вибраций листовых тонкостенных конструкций и соответствующее подавление корпусного звука этой жесткой структурой (стенкой поддона) за счет более эффективного преобразования механической вибрационной энергии, связанной с изгибными деформациями структуры успокоителя, в тепловую энергию, выделяемую во внутреннем волокнистом сетчатом слое ПСМ в процессе изгибных деформаций этой пористой структуры и трения пульсирующего газового и звукового потока в пористой и перфорированной структуре успокоителя.

Наличие зазора между донной частью поддона и перфорированной обечайкой, а также минимальный взаимный контакт этих элементов обеспечивают свободный доступ горячего масла к поверхности стенки донной части, с которой эффективно осуществляется теплоотвод в окружающую среду.

Таким образом, применение вышеописанного, достаточно конструктивно простого и высокотехнологичного технического решения позволяет эффективно решать одновременно две противоречивые проблемы двигателестроения, а именно - снижение шума двигателя и автомобиля в целом и улучшение его эксплуатационных качеств за счет обеспечения эффективного теплоотвода от элементов, нуждающихся в принудительном охлаждении, и улучшения работы системы вентиляции картера ДВС.

Наряду с этим в предлагаемом двигателе решается еще одна очень важная проблема, а именно улучшение процесса запуска холодного двигателя в условиях отрицательной температуры окружающей среды путем предварительного подогрева или всего объема масла, размещенного в поддоне, или локального подогрева той части масла, которая непосредственно контактирует с заборником 10 маслоприемника 5, который подключен к масляному насосу (не показан). Для этого или вся структура успокоителя 4 (в этом случае осуществляется подогрев всего объема масла в поддоне), или его отдельная близлежащая к маслоприемнику часть (см. фиг.4), ограниченная треугольником ОАБ (локальный подогрев масла), выполняются из высокоомного материала, к которому подводится электроток, при этом элементы успокоителя электроизолированы от поддона, например, фторопластовыми элементами, как это показано на фиг. 3. Головки этих элементов могут быть размещены в специальных монтажных отверстиях, фиг. 1, 2, 4, 5, выполненных в элементах кассеты, а основания приклеены к внутренней поверхности поддона, например, клеем типа циакрин. Подвод электрического тока к локальной зоне при этом осуществляется определенным образом. В частности, для получения локального подогрева масла необходимо контакты 11 кассеты с поддоном и контакт стержня 6 указателя уровня масла разместить так, чтобы заборник 10 разместился внутри поверхности нагрева кассеты, которая (поверхность) на фиг.4 образована частью обечайки 9 и частью поперечной пластины 8. Такой технический прием позволяет экономить запас штатной бортовой электроэнергии (важно с учетом ограниченной емкости аккумулятора 14), поскольку при запуске двигателя достаточно прогревать только тот объем масла, который находится в зоне маслоприемника 5. Здесь уместно отметить, что производительность масляного насоса, например, двигателя ВАЗ-2121 (прототип) на холостом ходу (около 100 об/мин) составляет 4 л в минуту при объеме масла в поддоне 3,8 л. При условиях достаточно прогретого масла устойчивый запуск двигателя осуществляется за 3 - 5 с. Т.е. предварительно необходимо прогреть 10 - 15% объема масла, размещенного в непосредственной близости от маслоприемника 5. Подвод электроэнергии может осуществляться не только от бортовой сети транспортного средства, но и от автономного источника, например из розетки в гаражном боксе.

Для исключения чрезмерного перегрева масла в электрическую цепь вводится термовыключатель 13 или другой аналогичный по функции элемент. Как один из вариантов конструктивного исполнения, достаточно простой и надежный (фиг. 6 - 8), может быть предложен термовыключатель, выполненный в виде пружинного биметаллического элемента, при этом держатель указателя уровня масла снабжен кнопочным выключателем с клеммой 18. Нажатием кнопки наконечник 12 стержня 6 вводится в разъем элемента термовыключателя 13, т.е. между биметаллическими пластинами, и удерживается силами упругости, которые в этом случае превышают силу упругости пружины 17. При достижении маслом определенной температуры, значение которой соответствует достаточному для надежного запуска прогреву, пластины размыкаются и пружина 17 выдвигает стержень 6 вместе с кнопкой до упора в ее корпусе, с которым она образует байонетное соединение. В этом положении указатель уровня масла выполняет обычную штатную контрольно-измерительную функцию масляного щупа. Торец стержня 6 может быть снабжен заменяемым в процессе эксплуатации наконечником (съемным) из низкоомного материала, либо контакт с пластинами осуществляется штатным стержнем 6.

Реферат

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к корпусным деталям ДВС. Масляный поддон закреплен на блок-картере ДВС и выполнен в виде тонколистовой детали, включающей донную и присоединительную части. В поддоне размещены успокоитель, маслоприемник и стержень указателя уровня масла. Успокоитель выполнен в виде перфорированной кассеты, с зазором и электроизолированно смонтированной на внутренней поверхности поддона, с минимальным контактом с названной поверхностью. Двигатель снабжен электроподогревателем, выполненным в виде по крайней мере части структуры кассеты из высокоомного материала, размещенной между заборником маслоприемника и днищем поддона и имеющей электрический контакт со стенкой поддона и торцом стержня указателя уровня масла, подключенного через термовыключатель к источнику электроснабжения. Указатель уровня масла выполняет функцию управляемого в зависимости от температуры подогреваемого масла электрода. Технический результат - снижение шума, улучшение пусковых качеств двигателя при обеспечении эффективного теплоотвода от стенок картера в окружающую среду, улучшение работы системы вентиляции картера и упрощение конструкции. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула