ES2266332T3 - Junta de culata. - Google Patents

Abstract

Limitador de deformación, con lo que durante el perfilado de altura y ancho del limitador de deformación el aumento de la presión de compresión a causa de las expansiones térmicas esperadas por las temperaturas aparecidas durante el funcionamiento, por ejemplo, para de aproximadamente 60 al 100% de la carga máxima del motor de combustión interna, particularmente en el caso de régimen de trabajo máximo, se considera además de forma que el perfilado se diseña esencialmente conforme a un rango intermedio entre los aumentos de la presión de compresión de las expansiones térmicas y la reducción en la presión de compresión de las rigideces de los elementos de construcción, se puede aumentar la estanqueidad de la junta de culata. Esto se aplica particularmente en el caso motores de combustión interna con almas delgadas entre las cámaras de combustión, pues la disipación del calor de estas almas es obviamente peor que la de otras zonas del bloque de cilindros, de forma que las expansiones térmicasse hacen allí fuertemente visibles y conducen a aumentos inadmisibles de la presión, ya que hasta ahora en el ámbito de las almas se basaba en una rigidez menor de los elementos de construcción y/o una más elevada elasticidad y el limitador de deformación se diseñaba más alto que en otros zonas, de forma que entonces se alcanzaban presiones de compresión inadmisibles, que conducían a deformaciones permanentes de los elementos de construcción del motor y a fallos en la estanqueidad así como finalmente hasta aumentadas fisuras del reborde. En este contexto conviene advertir, que el campo de acción de los rebordes se orienta correspondientemente al motor de combustión interna a temperatura de operación.

Description

Junta de culata.

La presente invención se relaciona con una junta metálica de culata según el concepto general de la Reivindicación 1.

Gracias a la EP 0 306 766 B1 ó EP 0 230 804 B1 se conoce una junta de culata metálica para un motor de combustión interna, en el que se provee una placa portadora junto con por lo menos una placa de cubierta rebordeada y resiliente como placa funcional. Puesto que la junta de estanqueidad entre la cabeza de cilindro y el bloque de cilindros de un motor de combustión interna en funcionamiento varía en función del régimen de trabajo del cilindro estimado en cada caso, la junta está sometida a continuas variaciones de presión y tiene que presentar propiedades elásticas duraderas para el mantenimiento de una hermetización libre de dificultades. Para esto se protege el reborde que discurre alrededor del respectivo orificio de la cámara de combustión y que actúa como elemento elástico, con un limitador de desplazamiento elástico o tope dispuesto a lo largo del borde de la cámara de combustión, que limita el desplazamiento elástico del reborde, posterior a los desplazamientos relativos aparecidos, realizados verticalmente respecto al plano de la junta, de la culata del cilindro frente al bloque de cilindros, de forma que el reborde sólo se desplaza en el intervalo de desplazamiento elástico provisto para él y no puede achatarse. Para esto puede también no ser completa la descarga del reborde, sino realizarse sólo hasta que una deformación mínima garantice la hermetización necesaria para la mayor presión aparecida de la cámara de combustión. El limitador de desplazamiento elástico forma una elevación de la junta de culata, que se extiende a lo largo del borde de la cámara de combustión.

Para motores de combustión interna con camisas de cilindro resultan sin embargo inapropiadas estas juntas, ya que la aplicación de esfuerzos verticales, que aparecen en la sujeción de las mismas y/o en la junta sujeta, se lleva a cabo en el borde de la cámara de combustión y esencialmente en la camisa del cilindro, de forma que aparecen pares de vuelco.

De la EP 0 740 092 A1 se conoce, por tanto, una junta de culata metálica para un motor de combustión interna, que presenta camisas de cilindro. Esta incluye, al menos, una placa rebordeada de cubierta y una placa portadora y está provista de un limitador de deformación formando una elevación de la junta para el respectivo reborde, que se forma mediante un anillo sobre la placa portadora y se instala sobre la cara apartada del reborde del orificio de la cámara de combustión, de forma que se afianza en el rebaje del bloque.

Gracias a la DE 195 13 360 C1 se conoce una junta de culata metálica para un motor de combustión interna, en el que se proveen al menos una placa rebordeada de cubierta y una placa portadora, colocándose alrededor de cada orificio a lo largo del borde de la cámara de combustión un limitador de deformación para el respectivo reborde. El limitador de deformación está en este caso perfilado en altura y ancho en dirección perimetral acorde a la rigidez de los elementos de construcción de la culata y bloque del cilindro, para lograr una distribución de los esfuerzos de compresión lo más uniforme posible. También puede proveerse en este contexto, además del limitador interno de deformación, un limitador externo de deformación sobre la cara apartada respecto al orificio de la cámara de combustión del respectivo reborde, para alcanzar así una aplicación de fuerza en la zona del reborde lo más vertical posible respecto al plano de la junta.

Gracias al documento EPA-0950842 se conoce una junta de culata conforme al término genérico de las Reivindicaciones 1, 12.

Especialmente en el caso motores de combustión interna con camisas de cilindro se ha comprobado, que incluso en el empleo de un limitador externo de deformación perfilado en altura y ancho siempre aparecen de nuevo problemas en lo que se refiere a la estanqueidad de la junta de culata. Este problema podría no solucionarse tampoco usando además un limitador interno de deformación apropiado.

Es, por tanto, objetivo de la invención, producir una junta de culata según el concepto general de la Reivindicación 1, que muestre un comportamiento hermetizante mejorado.

Este objetivo se soluciona acorde a la parte característica de la Reivindicación 1.

Dado que se usa un limitador de deformación, con lo que durante el perfilado de altura y ancho del limitador de deformación el aumento de la presión de compresión a causa de las expansiones térmicas esperadas por las temperaturas aparecidas durante el funcionamiento, por ejemplo, para de aproximadamente 60 al 100% de la carga máxima del motor de combustión interna, particularmente en el caso de régimen de trabajo máximo, se considera además de forma que el perfilado se diseña esencialmente conforme a un rango intermedio entre los aumentos de la presión de compresión de las expansiones térmicas y la reducción en la presión de compresión de las rigideces de los elementos de construcción, se puede aumentar la estanqueidad de la junta de culata. Esto se aplica particularmente en el caso motores de combustión interna con almas delgadas entre las cámaras de combustión, pues la disipación del calor de estas almas es obviamente peor que la de otras zonas del bloque de cilindros, de forma que las expansiones térmicas se hacen allí fuertemente visibles y conducen a aumentos inadmisibles de la presión, ya que hasta ahora en el ámbito de las almas se basaba en una rigidez menor de los elementos de construcción y/o una más elevada elasticidad y el limitador de deformación se diseñaba más alto que en otros zonas, de forma que entonces se alcanzaban presiones de compresión inadmisibles, que conducían a deformaciones permanentes de los elementos de construcción del motor y a fallos en la estanqueidad así como finalmente hasta aumentadas fisuras del reborde. En este contexto conviene advertir, que el campo de acción de los rebordes se orienta correspondientemente al motor de combustión interna a temperatura de operación.

Otras configuraciones de la invención se deducen de la siguiente descripción y las subreivindicaciones.

La invención se explica a continuación en profundidad mediante los ejemplos de ejecución representados en las adjuntas Figuras.

La Fig. 1 muestra una junta de culata en vista en planta seccionada.

Las Fig. 2 a 4 muestran secciones correspondientes a la línea I-I de la Fig. 1 para diferentes modos de ejecución de la junta de culata.

La Fig. 5 muestra un diagrama de la rigidez y el esfuerzo de compresión en función de la distancia del tornillo a través de un sector de un limitador de deformación.

La Fig. 6 muestra un diagrama de la dilatación térmica de los elementos de construcción de un motor de combustión interna a lo largo de la distancia estimada en la Fig. 5.

La Fig. 7 muestra un diagrama de una optimización del perfilado de altura de un limitador de deformación.

Las Fig. 8 y 9 muestran dos secciones correspondientes a las líneas I-I y II-II de la Fig. 1 de otro modo de ejecución de una junta de culata.

La Fig. 10 muestra una sección correspondiente a la línea II de otro modo de ejecución de una junta de culata.

La Fig. 11 muestra una sección correspondiente a la línea II de un modo de ejecución opuesto al de la Fig. 10.

La Fig. 12 muestra una sección a lo largo de la línea I-I de la Fig. 1 de otro modo de ejecución.

La Fig. 13 muestra una sección a lo largo de la línea I-I de la Fig. 1 de otro modo de ejecución.

En la Fig. 1 la junta de culata representada en vista en planta seccionada incluye una placa de cubierta 1 resiliente, habitualmente elaborada de acero para resortes, provista con una serie de orificios de la cámara de combustión 2 dispuestos unos junto a otros, separados en cada caso por un alma delgada, correspondientes a la cámara de combustión de un motor de combustión interna; así como, además, con orificios de paso del fluido 3 quizás para agua fría y/o aceite y orificios de inserción de los tornillos 4 para tornillos, que se usa para el arriostramiento del bloque de cilindros y la culata del cilindro del motor de combustión interna. La placa de cubierta 1 está provista de rebordes 5, dispuestos a distancia dejando una sección recta de placa 6 en la zona del borde del orificio de la cámara de combustión 2. Alrededor de los demás orificios 3, 4 se proveen asimismo hermetizaciones aquí no representadas como semirrebordes o gusanos de material elástico.

Para el respectivo reborde 5 se provee un limitador interno de deformación 7 a lo largo del orificio de la cámara de combustión 2. En vez de éste o conjuntamente se provee además un limitador externo de deformación 8, que se encuentra respecto al reborde 5 sobre la cara del reborde 5 apartada del orificio de la cámara de combustión 2. Ambos limitadores de deformación 7, 8 se localizan sobre la cara de la placa de cubierta 1, hacia el que se curva el reborde 5, para poder limitar su desplazamiento elástico.

El o los limitador/es de deformación 7, 8 se pueden disponer en la placa de cubierta 1 o en una placa portadora o acanalada separada 9 y/o 10, véanse las Fig. 2 a 4, pudiéndose proveer además una segunda placa de cubierta rebordeada resiliente 1' y entonces se procura preferentemente el limitador de deformación 7 y/o 8 con respecto a ambas placas de cubierta 1, 1' dispuestas especularmente simétricas una respecto a la otra. Cuando el limitador de deformación 7 y/o 8 es de metal, puede estar soldado. También puede consistir, sin embargo, en un plástico fuertemente relleno y aplicarse por ejemplo mediante impresión por tamiz. También puede aplicarse o incluso formarse mediante otros procedimientos como la inyección de plasma, véase la Fig. 10.

Como se representa en la Fig. 5, se origina con la condición de que el limitador de deformación 7 y/o 8 muestre una altura constante, una reducción continua del esfuerzo de compresión (representada en discontinua) de un tornillo sobre los demás ejercida sobre la junta de culata así sujeta y correspondiente a la distancia del tornillo, creada por tornillos uniformemente apretados, hasta la zona intermedia entre dos tornillos adyacentes, que se disponen aquí en las esquinas de un cuadrado. La Fig. 5 contempla, conforme a esto, la distancia desde el centro del alma (0º) entre dos orificios de la cámara de combustión 2 hasta la línea II (90º). La rigidez de los elementos de construcción (representada en trazo continuo) es mayor, en contraste con la de la zona de los orificios de inserción de los tornillos 4 y desciende hacia la zona entre
tornillos.

No se consideran aquí otras variaciones de la rigidez de los elementos de construcción debido a los correspondientes canales y/o orificios en los elementos de construcción correspondientes a los orificios de paso del fluido 3 y también debido a zonas de menor espesor de la pared aproximadamente en la culata del cilindro. Estas pueden modificar ambas curvas representadas en la Fig. 5 y/o desplazarlas parcialmente.

En la Fig. 6 se representa la dilatación térmica para la zona representada en la Fig. 5. Esta es visiblemente máxima en la zona del alma, principalmente cuando ésta es delgada y la disipación del calor de esta zona frente a otras zonas es relativamente mala. También esta curva queda correspondientemente afectada por zonas más frías aproximadamente colindantes con los canales de agua. Esto no se considera aquí.

En la Fig. 7 se representa un perfilado de altura del limitador de deformación 7 y/o 8 para la misma zona, como se contempla en las Fig. 5 y 6, por un lado para la compensación de las variaciones de rigidez de los elementos de construcción (en trazo continuo) y por otro lado para la compensación de las dilataciones térmicas (en trazo discontinuo). Para tener en cuenta ambos efectos, se diseña el perfilado real de altura del limitador de deformación 7 y/o 8 esencialmente correspondiente a una zona intermedia entre el aumento de la presión de compresión por las expansiones térmicas y la reducción en la presión de compresión por las rigideces de los elementos de construcción (en trazos y puntos).

De este modo es posible reducir o acaso evitar deformaciones permanentes en los elementos constructivos del motor. Aparecen menos fisuras de
reborde.

En el caso de la junta de culata representada en la Fig. 8, 9 en una sección correspondiente a las líneas I-I y II-II de la Fig. 1 se trata de una de éstas para un motor de combustión interna con camisas del cilindro 11, insertadas en las correspondientes perforaciones del bloque de cilindros 12 y formando cámaras de combustión. En este contexto puede tratarse por ejemplo de un bloque de cilindros 12 de una aleación de aluminio y de camisas del cilindro 11 de fundición gris. En la zona del alma entre dos cámaras de combustión adyacentes concurren los rebordes 5 del ejemplo de ejecución representado hacia un reborde común. El limitador externo de deformación 8 rodea los rebordes 5 en forma de gafas.

En este contexto puede proveerse ventajosamente también un perfilado "radial" de altura, en que el limitador de deformación interno 7 puede diseñarse más alto o más bajo o del mismo tamaño (radialmente respecto al eje de la cámara de combustión o visto en dirección longitudinal del motor de combustión interna) que el limitador de deformación externo 8, según la rigidez de los elementos de construcción y la dilatación térmica.

En el modo de ejecución representado en la Fig. 10 se forman los limitadores interno y externo de deformación 7, 8 sobre un anillo insertado 13 mediante bordes en relieve, perfilándose los bordes simultáneamente en el recalcado correspondientemente en altura y ancho. Mediante el recalcado se aumenta la resistencia a la fatiga del limitador de deformación 7 y/o 8 y la compresión de los bordes se mantiene pequeña, reforzando además esto un ligero abombado o achaflanado del limitador de deformación 7 y/o 8 radial hacia fuera.

En el modo de ejecución representado en la Fig. 11 se diseña el limitador de deformación 7 como anillo separado, que se inserta en el correspondiente orificio de la placa portadora 9 y se une a ésta por ejemplo por soldadura.

También se pueden proveer, como se representa en la Fig. 12, en la zona de elevación de los rebordes sobre la placa portadora 9 cavidades 15 que se extiendan en dirección perimetral (por ejemplo estampaciones) y/o elevaciones(por ejemplo recrecimientos) 15', que modifiquen correspondientemente el perfil de la placa portadora 9 en la zona de elevación de los rebordes, sirviendo estas variaciones del perfil de la placa portadora 9 para el ajuste de los puntos de referencia de la zona de actuación de los rebordes a los puntos constructivos de diseño dados anteriormente considerando en cada caso la dilatación térmica aparecida durante el funcionamiento.

En el modo de ejecución representado en la Fig. 13, la placa portadora 9 está provista por el lado de la cámara de combustión de una sección en ángulo recto 16, así como sobre la cara del reborde 5 alejada de la cámara de combustión de un reborde aproximadamente trapezoidal 17. La sección 16 y el reborde 17 forman en cada caso una superficie 18, 18' concéntrica respecto del reborde 5, provistas correspondientemente de un perfilado de altura esencialmente correspondiente a una zona intermedia entre el aumento de la presión de compresión por las expansiones térmicas y la reducción en la presión de compresión por las rigideces de los elementos de construcción y que colaboran, en cada caso, con un limitador de deformación 7 y/o 8 de altura constante. Es decir, el perfilado de altura y, opcionalmente, de ancho se efectúa aquí sobre la placa portadora 9 mediante la correspondientemente estampación, de forma que en conjunto la distancia entre las placas de cubierta 1, 1' engrosada por el limitador de deformación 7 y/o 8 muestra el perfilado apropiado. En este contexto el limitador de deformación interno 7 está formado por el borde de un anillo de placa acanalada 19 en el borde acanalado de la cámara de combustión, mientras que el limitador de deformación externo 8 está formado por el solapamiento del anillo de placa acanalada 19 y una placa
adicional 20.

La presente invención es también aplicable a juntas de culata, que presenten sólo un orificio de la
cámara de combustión muestran.

Claims (19)

1. Junta metálica de culata para un motor de combustión interna que presenta un bloque de cilindros con una cámaras de combustión adyacentes y una cabeza de cilindro conectada a este bloque mediante tornillos, con al menos una capa de placa (1) de metal resiliente, provista de uno o más orificios de la cámara de combustión (2) correspondiente a la cámara de combustión del motor de combustión interna, así como de orificios de paso del fluido y de inserción de los tornillos (3, 4), proveyéndose alrededor de cada orificio de la cámara de combustión (2), a distancia de este, dejando una sección recta de placa (6) en la zona del borde del orificio, un reborde (5), cuyo desplazamiento elástico está limitado por un limitador de deformación (7, 8) extendido concéntrico respecto al reborde (5), con lo que el limitador de deformación (7, 8) correspondiente al estado encarrilado de la junta de culata se perfila en su altura y/o ancho acorde a las reducciones en la presión de compresión esperadas en zonas específicas y debido a la reducida rigidez de los elementos de construcción del bloque de cilindros y de la cabeza de cilindro, caracterizada porque cuando se perfilan la altura y/o ancho del limitador de deformación (7, 8), el aumento de la presión de compresión a causa de las expansiones térmicas esperadas por la temperatura de operación del motor de combustión interna se considera además de forma que el perfilado se diseña esencialmente conforme a un rango intermedio entre los aumentos de la presión de compresión de las expansiones térmicas y la reducción en la presión de compresión de las rigideces de los elementos de construcción o porque el limitador de deformación (7, 8) presenta una altura constante y una placa portadora (9) provista con un perfilado de altura, de forma que se origina en conjunto un perfil esencialmente correspondiente a una zona intermedia entre el aumento de la presión de compresión por las expansiones térmicas y la reducción de la presión de compresión por las rigideces de los elementos de construcción, disponiéndose el limitador de deformación (7, 8) en la zona del perfilado de altura de la placa portadora (9).

2. Junta de culata acorde a la Reivindicación 1, caracterizada porque el perfilado de altura del limitador de deformación (7, 8) está en relieve.

3. Junta de culata acorde a la Reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque la altura del limitador de deformación (7, 8) en la zona de alma entre dos orificios adyacentes de la cámara de combustión (2) es reducida frente a la altura en la zona de los orificios adyacentes de inserción de los tornillos (4).

4. Junta de culata según al menos una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque por ambos lados del respectivo reborde (5) se coloca un limitador de deformación (7, 8).

5. Junta de culata acorde a la Reivindicación 4, caracterizada porque el limitador de deformación interno (7) más alto que el externo (8).

6. Junta de culata acorde a la Reivindicación 4, caracterizada porque el limitador de deformación interno (7) tiene la misma altura que el externo (8).

7. Junta de culata acorde a la Reivindicación 4, caracterizada porque el limitador de deformación interno (7) es más bajo que el externo (8).

8. Junta de culata según al menos una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque sólo se provee un limitador de deformación interno o uno externo (7, 8) para cada uno de los rebordes (5).

9. Junta de culata según al menos una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque el respectivo limitador de deformación (7, 8) queda retenido en un anillo (13) o placa portadora (9).

10. Junta de culata según al menos una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque el respectivo limitador de deformación (7, 8) se diseña como anillo separado y/o sección anular.

11. Junta de culata según al menos una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada porque se proveen dos placas de cubierta rebordeadas (1, 1'), dispuestas especularmente simétricas una respecto a la otra con los vértices del reborde encarados unos respecto a otros, entre los que se encuentra el limitador de deformación (7, 8), en cada caso en una placa portadora separada (9).

12. Junta metálica de culata para un motor de combustión interna que presenta un bloque de cilindros (12) con cámaras de combustión adyacentes con camisas (11) y una cabeza de cilindro conectada a este bloque mediante tornillos, con al menos una placa de cubierta rebordeada (1, 1'), de metal resiliente y una placa portadora (9), provista de uno o más orificios de la cámara de combustión (2) correspondiente a la cámara de combustión del motor de combustión interna, así como de orificios de paso del fluido y de inserción de los tornillos (3, 4), presentando al menos una placa de cubierta (1, 1') alrededor de cada orificio de la cámara de combustión (2), a distancia de este, dejando una sección recta de placa (6) en la zona del borde del orificio, un reborde (5), cuyo desplazamiento elástico está limitado por un limitador de deformación externo (8) extendido concéntrico respecto al reborde (5) por la cara externa, sujeto por la placa portadora (9), con lo que el limitador de deformación externo (8) correspondiente al estado encarrilado de la junta de culata se perfila en su altura y/o ancho acorde a las reducciones en la presión de compresión esperadas en zonas específicas y debido a la reducida rigidez de los elementos de construcción del bloque de cilindros y de la cabeza de cilindro, caracterizada porque los rebordes (5) se disponen a una distancia del borde de la cámara de combustión, de forma que se afianzan sobre el bloque de cilindros (12) colindante con las camisas (11), y porque se provee por la cara interna del respectivo reborde (5) un limitador de deformación interno (7), sujeto por la placa portadora (9), perfilado en su ancho y altura con respecto a la rigidez de los elementos de construcción y cuando se perfilan la altura y/o ancho del limitador de deformación (7, 8), el aumento de la presión de compresión a causa de las expansiones térmicas esperadas por la temperatura de operación del motor de combustión interna se considera además de forma que el perfilado se diseña esencialmente conforme a un rango intermedio entre los aumentos de la presión de compresión de las expansiones térmicas y la reducción en la presión de compresión de las rigideces de los elementos de construcción o porque el limitador de deformación (7, 8) presenta una altura constante y una placa portadora (9) provista con un perfilado de altura, de forma que se origina en conjunto un perfil esencialmente correspondiente a una zona intermedia entre el aumento de la presión de compresión por las expansiones térmicas y la reducción de la presión de compresión por las rigideces de los elementos de construcción, disponiéndose el limitador de deformación (7, 8) en la zona del perfilado de altura de la placa
portadora (9).

13. Junta de culata acorde a la Reivindicación 12, caracterizada porque el perfilado de altura del limitador de deformación (7, 8) está en relieve.

14. Junta de culata acorde a la Reivindicación 12 o 13, caracterizada porque la altura del limitador de deformación (7, 8) en la zona de alma entre dos orificios adyacentes de la cámara de combustión (2) es reducida frente a la altura en la zona de orificios adyacentes de inserción de los tornillos (4).

15. Junta de culata según al menos una de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizada porque el limitador de deformación interno (7) es más alto que el limitador de deformación externo (8).

16. Junta de culata según al menos una de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizada porque el limitador de deformación interno (7) tiene la misma altura que el limitador de deformación externo (8).

17. Junta de culata según al menos una de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizada porque el limitador de deformación interno (7) es más bajo que el limitador de deformación externo (8).

18. Junta de culata según al menos una de las reivindicaciones 12 a 17, caracterizada porque el respectivo limitador de deformación (7, 8) queda retenido en un anillo (13) o placa portadora (9).

19. Junta de culata según al menos una de las reivindicaciones 12 a 18, caracterizada porque el respectivo limitador de deformación (7, 8) se diseña como anillo separado y/o sección anular.