ITRM20000070A1

ITRM20000070A1 - Motore a combustione interna con almeno una camicia di cilindro inserita nel basamento.

Info

Publication number: ITRM20000070A1
Application number: IT2000RM000070A
Authority: IT
Inventors: Franz Leutloff; Frank Muller; Jiri Vlach
Original assignee: Daimler Chrysler Ag
Priority date: 1999-02-27
Filing date: 2000-02-14
Publication date: 2001-08-14
Also published as: FR2790285A1; DE19908605A1; DE19908605C2; FR2790285B1; IT1315832B1; ITRM20000070A0

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione dal titolo: ''MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA CON ALMENO UNA CAMICIA DI CILINDRO INSERITA NEL BASAMENTO''

Stato della tecnica

L 'invenzione parte da un motore a combustione interna con almeno una camicia cilindro inserita in un basamento secondo il preambolo della rivendicazione 1.

Dallo stato della tecnica sono noti motori a combustione interna nei cui cilindri del basamento sono inserite camicie relative. In questo caso, camicie di cilindri lambite dall'acqua di raffreddamento (camicie di cilindri "a umido") vengono realizzate con un collare radiale esterno alla loro estremità superiore oppure nella loro zona centrale, però un tale collare può essere previsto anche in camicie relative senza lavaggio diretto (camicie cilindri a " secco " ). Il collare delle note camicie cilindri ha una superficie piana, disposta perpendicolarmente alla direzione assiale, orientata in direzione del basamento. Quando si inseriscono le camicie nei cilindri del basamento, questa superficie del collare viene portata a contatto con un superficie di arresto piana relativa di un appoggio del basamento. Una testa cilindri fissata in testa mediante tiranti a vite oppure mediante viti con testa tiene le camicie nei cilindri e precarica di volta in volta assialmente la superficie del collare di una camicia cilindro contro la superficie di appoggio per collare del basamento.

Durante la lavorazione delle camicie cilindri e del basamento, tolleranze di lavorazione producono però errori di planarita, di gradualità e di angolazione della superficie di appoggio per collare e della superficie del collare. A causa del precarico reciproco, in corrispondenza della superficie di separazione tra la superficie del collare e la superficie di appoggio per il collare si ottiene una distribuzione disuniforme della tensione in direzione periferica con picchi di tensione locali. Conseguentemente, la parete della camicia cilindro si deforma, fra l'altro, in direzione radiale, laddove è misurabile una deformazione radiale anche in piani di livello assiali che sono più distanti dal collare. Per effetto della deformazione sgradita della camicia cilindro, si ottiene una maggiore capacità di attrito e un'abrasione disuniforme della camicia cilindro e dello stantuffo condotto da essa nonché delle fasce elastiche. La deformazione può ridurre, inoltre, l'azione di tenuta e di raschiamento delle fasce elastiche per cui, da un lato, la miscela compressa può passare le fasce elastiche e, dall'altro lato, nella camera di combustione può penetrare olio (cosiddetto "'blow-by ''). In questo modo, la potenza del motore a combustione interna diminuisce e il consumo di olio aumenta .

Al contrario, la presente invenzione si prefigge il compito di realizzare un motore a combustione interna del tipo citato all'inizio, in cui si evita abbondantemente la deformazione delle camicie dei cilindri .

Secondo l'invenzione, questo compito viene risolto con i particolari citati nella parte caratterizzante della rivendicazione 1.

Vantaggi dell’invenzione

Il motore a combustine interna secondo l'invenzione ha il vantaggio che, a causa dell'incremento mirato della cedevolezza in corrispondenza della superficie del collare e della superficie di appoggio per il collare, i picchi di tensione dovuti alle imperfezioni della lavorazione si riducono principalmente nella zona della superficie di separazione radiale esterna e principalmente ivi si manifestano le deformazioni disuniformi che ne risultano. Al contrario, nelle zone radiali interne più rigide, delle camicie dei cilindri, la cui precisione dimensionale è essenziale per un funzionamento privo di attrito e di usura del motore a combustione interna, non si verifica nessuna deformazione degna di nota. Una tale camicia cilindro poco deformabile consente minori perdite di attrito nei cilindri e quindi una durata di vita più lunga e un minore consumo di carburante da parte del motore a combustione interna.

Con gli accorgimenti indicati nelle rivendicazioni dipendenti sono possibili ulteriori sviluppi vantaggiosi e miglioramenti del motore a combustione interna indicato nella rivendicazione brevettuale 1.

Un ulteriore sviluppo particolarmente preferito dell 'invenzione prevede che la superficie del collare sia disposta in modo angolato rispetto alla superficie di appoggio per il collare ed è a contatto con essa soltanto in una zona radiale interna o viceversa. Grazie all'andamento angolare si ottiene, da un lato, una minore superficie di contatto cosa che, in caso di precarico costante, provoca una maggiore pressione superficiale nella zona delle superfici di separazione e quindi anche una cedevolezza ivi maggiore. Dall'altro lato, grazie alla smussatura, la superficie di contatto tra la superficie del collare e la superficie di appoggio per il collare viene spostata radialmente verso l'interno, per cui il braccio della leva tra il collare radialmente esterno e le forze assiali che agiscono in testa sulla camicia cilindro diventa più corto. Ciò provoca, a sua volta, un momento flettente più basso sulla camicia cilindro in modo da ridurre la sua tendenza ad ingobbarsi. Lo smusso angolare della superficie del collare e/o della superficie di appoggio per il collare può essere realizzato in modo semplice a rotazione simmetrica, per cui i costi di lavorazione per questo scopo sono bassi.

Secondo un'altra forma di esecuzione dell'invenzione, tra il collare e l'appoggio relativo è disposto uno spessore con almeno un anello, il quale, per effetto del precarico, è deformabile elasticamente e/o plasticamente in modo che le deformazioni prodotte dal precarico si manifestino principalmente nell'anello. Partendo da ciò, secondo un ulteriore sviluppo, lo spessore è previsto per più cilindri disposti in linea ed è costituito da più anelli deformabili elasticamente e/o plasticamente, allineati l'uno all'altro. In questo modo, lo spessore elastico è strutturato a guisa di guarnizione testata e può essere disposto, ad esempio, come corpo monopezzo con poco dispendio per il montaggio nel basamento.

Secondo un'altra forma di esecuzione dell'invenzione è previsto che la superficie dell'appoggio per il collare e/o la superficie del collare è profilata in direzione assiale, preferibilmente è realizzata a forma d'onda. L'accoppiamento delle superfici prodotto dall'ondulazione può essere calcolato, in questo caso, in modo da ridurre al minimo la deformazione della camicia cilindro.

Disegni

Esempi di esecuzione dell'invenzione sono rappresentati nei disegni e sono illustrati più dettagliatamente nella descrizione seguente. In essi:

La figura 1 mostra una vista in sezione prospettica di un basamento con una camicia cilindro, laddove tra la camicia cilindro e il basamento è previsto uno spessore deformabile elasticamente/plasticamente, realizzato a guisa di anelli allineati uno accanto all'altro;

la figura 2 mostra una sezione trasversale lungo un anello della figura 1,

la figura 3 mostra una sezione trasversale lungo un anello della figura 1 in un'altra forma di esecuziola figura mostra una rappresentazione prospettica di una camicia cilindro cori superficie del collare che si estende obliquamente;

la figura 5 mostra una sezione trasversale parziale in corrispondenza del particolare Y della figura 4 laddove, diversamente da questa, è rappresentato, inoltre, il basamento;

la figura 6 mostra una rappresentazione schematica di una simulazione .con metodo di elementi finiti della situazione di montaggio di una camicia cilindro;

la figura 6a mostra una immagine di deformazione plastica, rappresentata in modo fortemente esagerato, di una camicia cilindro in cui la superficie del collare è perpendicolare alla direzione assiale;

la figura 6b mostra una immagine di deformazione plastica, rappresentata in modo fortemente esagerato, di una camicia cilindro in cui la superficie del collare è smussata con un angolo a = 0,4 gradi;

la figura 6c mostra una immagine di deformazione, rappresentata in modo fortemente esagerato, di una camicia cilindro in cui la superficie del collare è smussata con un angolo a = 0,5 gradi;

la figura 6d mostra una immagine di deformazione, rappresentata in modo fortemente esagerato, di una camicia cilindro in cui la superficie del collare è smussata con un angolo a = 0,6 gradi;

la figura 7 mostra un'altra forma di esecuzione secondo l'invenzione in cui la superficie del collare della camicia cilindro è profilata in direzione assiale ;

la figura 8 mostra un'altra forma di esecuzione secondo l'invenzione in cui uno spessore realizzato a guisa di anello è profilato in direzione assiale;

la figura 9 mostra un'altra forma di esecuzione secondo l'invenzione in cui la superficie del collare della camicia cilindro è profilata in direzione assiale e, inoltre, si estende obliquamente;

la figura 10 mostra una sezione trasversale parziale in corrispondenza del particolare Y della figura 9, laddove, diversamente da questa, è rappresentato, inoltre, il basamento.

Descrizione degli esempi di esecuzione

Nella figura 1 è rappresentata una camicia cilindro a umido 1 poco prima del suo montaggio in un cilindro 2 di un basamento 4 di un motore a combustione interna. Per il fissaggio assiale nel cilindro 2, la camicia 1 di detto cilindro ha un collare radiale esterno 6 con una superficie anulare 8, orientata verso il basamento 4,. La superficie 8 del collare è disposta, preferibilmente, in un piano perpendicolarmente all'asse mediano della camicia cilindro 1 e, visto in direzione longitudinale della camicia cilindro, sostanzialmente al centro, laddove l'altezza del collare oscilla, preferibilmente, tra 0,5 e 1,5 volte il diametro del foro della camicia cilindro 1. Camicie cilindri 1 con un tale collare 6 centrale vengono indicate anche come "'camicie cilindri midstop" . Il collare centrale 6 separa una parte superiore 10 di diametro maggiore da una parte inferiore 12 di diametro minore della camicia cilindro 1 già nota. I cilindri 2 del basamento 4 sono provvisti di volta in volta di un appoggio per collare 14, il quale presenta una superficie anulare piana 16. Durante il montaggio, la parte inferiore di diametro minore della camicia cilindro 12 viene inserita nel cilindro 2 fino a quando la superficie 8 del collare poggia sulla superficie di appoggio 16. Indi si colloca una testa cilindri non rappresentata sul basamento 4 e la si collega con questo in modo noto mediante tiranti a vite o viti con testa. In questo caso, le camicie 1 vengono tenute nei cilindri 2 mediante la pressione del lato di testa della testata e la superficie 8 del collare di una camicia cilindro 1 viene precaricata di volta in volta assialmente contro la superficie di appoggio 16 del collare del basamento 4.

Secondo una forma di esecuzione preferita dell'invenzione, la zona della superficie di separazione tra la superficie 8 del collare e la superficie di appoggio 16 relativo è più cedibile delle zone della camicia cilindro 1 e del basamento 4, attigue alla zona della superficie di separazione, tra la superficie 8 del collare e la superficie di appoggio 16 del collare essendo interposto uno spessore 18 deformabile elasticamente e/o plasticamente sotto forma di più anelli 20 allineati uno accanto all'altro. Un tale anello 20 è costituito, preferibilmente, da un materiale avente una rigidezza minore del materiale della camicia cilindro 1 e del basamento 4. In alternativa o in aggiunta, anche la rigidezza di forma di un tale anello può essere lieve. Ciò fa in modo che le deformazioni che si determinano per effetto del precarico assiale avvengono principalmente negli anelli 20 che, in questo modo, si deformano elasticamente e/o plasticamente. Al contrario, le deformazioni assiali e radiali della camicia cilindro 1 più rigida sono notevolmente minori , per cui detta camicia difficilmente si deforma sotto l'azione del precarico assiale. Affinché questo materiale cedevole degli anelli 20 caricati assialmente possa deviare in direzione radiale, in corrispondenza del collare 6 e dell'appoggio 14 del collare si possono prevedere zone di uscita radiali.

Nella figura 2 è rappresentata una sezione trasversale lungo la linea II-II della figura 1 attraverso un anello 20a secondo una forma di esecuzione preferita. L'anello 20a è realizzato a pezzo unico e presenta una rigidezza di materiale minore del materiale della camicia cilindro 1 oppure del basamento 4. L'anello 20a ha un labbro anulare 22 disposto radialmente al centro e orientato preferibilmente verso la superficie 8 del collare della camicia cilindro 1. Il labbro anulare 22 è applicato per formatura all'anello 20a, laddove sull'altro lato dell'anello è realizzata una scanalatura anulare 24 in modo che il materiale antistante del labbro anulare 22 possa deviare sotto precarico assiale nella scanalatura anulare 24. Grazie al labbro anulare 22 in connessione con la scanalatura anulare 24 realizzata in modo complementare ad esso è possibile ottenere una cedevolezza particolarmente elevata dello spessore 18 che si limita, inoltre, ad una zona strettamente limitata.

In alternativa, un anello 20b secondo la rappresentazione in sezione trasversale della figura 3 può essere anche bipartito ed essere costituito da un anello di sostegno 26 e da un anello di deformazione 28 più cedevole, supportato dal primo. L'anello di sostegno 26 ha, preferibilmente, un profilo a forma di L, laddove un fianco assiale 30 dell'anello di sostegno 26 della parete della camicia cilindro 1 sta di fronte e un fianco radiale 32 sporge radialmente verso 1 'esterno. L'anello di deformazione 28 è incassato nella semiscanalatura formata dal fianco assiale 30·e radiale 32 e sporge in direzione assiale oltre il fianco assiale 30. Preferibilmente, il materiale dell'anello di deformazione 32 si deforma plasticamente sotto il precarico e può deviare radialmente verso l'esterno. Il fianco assiale 30 funge poi da arresto per la superficie 8 del collare oppure per l'appoggio 16 del collare e può deformarsi elasticamente. Invece di prevedere lo spesso 18 cedevole separatamente dalla camicia cilindro 1, detto spessore potrebbe essere collegato ad accoppiamento geometrico, ad accoppiamento dinamico oppure per via di materiale proprio con la superficie 8 del collare oppure con la superficie di appoggio 16 del collare.

Nella figura 4 è rappresentata un'altra forma di esecuzione secondo l'invenzione, in cui il collare 6 òleIla camicia cilindro 1 è leggermente smussato. Secondo la figura 5, la quale, in corrispondenza del particolare Y della figura 4, è rappresentata in sezione longitudinale e in cui, diversamente da questa, è mostrato inoltre l'appoggio 14 del collare del basamento 4, la superficie di appoggio 16 per il collare è pianparallela ad un piano perpendicolarmente all'asse mediano del cilindro 2. Al contrario, la superfici 8 del collare è disposta obliquamente e forma un angolo a rispetto alla superficie di appoggio 16 del collare con cui essa è, quindi, a contatto soltanto in una zona interna radiale. Al contrario, anche la superficie 8 del collare potrebbe essere pianoparallela ad un piano perpendicolarmente all'asse mediano della camicia cilindro 1 e la superficie di appoggio 16 del collare potrebbe essere disposta in un angolo a obliquamente alla superficie 8 del collare. Inoltre, sia la superficie 8 del collare sia la superficie di appoggio 16 per il collare potrebbero essere disposte ciascuna con un'angolazione a rispetto ad un piano perpendicolarmente all'asse mediano della camicia cilindro 1. Grazie all'andamento angolare della superficie 8 del collare e/o della superficie di appoggio 16 dello stesso si ottiene una superficie di contatto minore tra il collare 6 e l'appoggio 14 relativo, cosa che, in caso di uguale precàrico, provoca una maggiore pressione superficiale (forza di precarico/superficie di contatto) e quindi anche una maggiore cedevolezza desiderata in corrispondenza della superficie di separazione. Lo smusso della superficie 8 del collare può essere prodotto mediante lavorazione ad asportazione di truciolo, per cui sul collare 6 è prevista, preferibilmente, una uscita 34 per l'utensile. Secondo un ulteriore sviluppo dell'invenzione, anche un anello 20 di uno spessore 18 secondo la figura 1 potrebbe essere provvisto di un tale smusso angolare.

La figura 6 mostra una rappresentazione schematica di una simulazione con metodo di elementi finiti (FEM) della situazione di montaggio di una camicia cilindro 1, laddove la rappresentazione corrisponde ad una sezione longitudinale lungo la parete della camicia cilindro 1. Il precarico assiale attraverso la testa cilindri disposta in alto sulla camicia cilindro 1 è simulato da un carico statico per unità di superficie p che agisce sulla superficie frontale anulare della camicia cilindro 1 e l'appoggio 14 del collare è simulato da un appoggio 36. Sotto densità di carico assiale p, la parete relativamente sottile della camicia cilindro 1 tende ad ingobbare, cosa che viene rafforzata dal fatto che tra le linee d'azione delle parti radiali interne del carico per unita di superficie p e l'appoggio radiale esterno del collare (appoggio 36) agisce un braccio di leva per cui alla pressoflessione che agisce sulla parete della camicia cilindro 1 si sovrappone una sollecitazione di flessione supplementare. Questo carico di punta e di flessione provoca la formazione di onde flessionali nella parete della camicia cilindro 1, come si vede con riferimento all'immagine di deformazione rappresentata, per motivi di scala, in modo fortemente esagerato e prodotta da un modello matematico FEM. Il collare 6 del modello matematico FEM secondo la figura 6a è pianparallelo ad un piano perpendicolarmente all'asse mediano della camicia cilindro 1 (a = 0 gradi) in modo che questa corrisponda ad una camicia cilindro dello stato della tecnica. Come risultato del calcolo nell'ambito del modello matematico FEM, all'altezza del collare è stata calcolata una deformazione radiale massima della camicia cilindro 1 pari a 16 μm.

Al contrario, nella figura 6b è rappresentata una immagine di deformazione di un modello matematico FEM in cui la superficie 8 del collare è inclinata, rispetto ad un piano, per un angolo a = 0,4 gradi perpendicolarmente all'asse medieino della camicia cilindro 1. Come si vede, la deformazione radiale della camicia cilindro 1 è molto più lieve, laddove la deformazione massima calcolata in corrispondenza del collare 6 è soltanto pari a 7 μm . Le immagini di deformazione mostrate nella figura 6c e nella figura 6d si basano su modelli matematici in cui la superficie 8 del collare è smussata per un angolo α = 0,5 gradi (figura 6c) e rispettivamente per un angolo di a =0,6 (figura 6d) laddove, in caso di smusso parti a 0,5 gradi, è stato calcolata una deformazione radiale massima di 6 /un e, in caso di smusso pari a 0,6 gradi, è stata calcolata una deformazione radiale massima di 5 μτα.

Come precedentemente esposto, la minore deformazione radiale della camicia cilindro 1 man mano che lo smusso aumenta è da attribuirsi, da un lato, alla minore rigidità di forma della camicia cilindro 1 in corrispondenza della superficie di separazione. Dall'altro lato, grazie allo smusso della superficie 8 del collare si ottiene un prolungamento della zona di contatto tra il collare e l'appoggio relativo radialmente verso l'interno, cosa che si determina in un braccio di leva più corto per la parte radiale interna del carico superficiale assiale che agisce sul lato di testa. Di conseguenza, il momento flettente sulla camicia cilindro 1 e quindi anche la sua deformazione radiale è minore. Preferibilmente, l'angolo di smusso a oscilla in un campo angolare tra 0,4 e 0,6 gradi. In caso di dimensionamento diverso della camicia cilindro, l'angolo a potrebbe oscillare anche in un ambito tra 0,2 e 1,5 gradi.

Nella figura 7 è mostrata una camicia cilindro 1 in cui la superficie 8 del collare è profilata in direzione assiale e, preferibilmente, è realizzata in modo ondulato, laddove la profilatura è rappresentata in modo fortemente esagerato. Il profilo ondulato sta di fronte alla superficie di appoggio 16 non rappresentata per il collare e, durante il montaggio della camicia cilindro 1, viene bloccato contro detta camicia. La profilatura provoca, a causa della minore superficie di contatto in corrispondenza delle ''creste d'onda una pressione superficiale maggiore (forza di precarico/ superficie di contatto) in modo da ridurre in modo mirato la rigidità di forma del collare 6 nella zona della superficie di separazione. Le deformazioni per effetto del precarico si manifestano poi principalmente nella superficie ondulata 8 del collare, Inoltre oppure in alternativa, anche la superficie di appoggio 16 del collare potrebbe essere profilata in modo ondulato o in modo diverso. Come ulteriore variante, anche uno spessore 18 sotto forma di anello 20c può essere provvisto di una tale profilatura, come indicato nella figura 8. In tal caso, una prima superficie anulare 38, atta ad essere portata a contatto con la superficie 8 del collare è strutturata in modo piatto e la seconda superficie anulare 40, atta ad essere portata in contatto con la superficie di appoggio 16 del collare, è strutturata in modo ondulato o viceversa oppure anche entrambe le superfici anulari 38, 40 sono strutturate in modo ondulato.

Secondo l'altra forma di esecuzione mostrata nella figura 9, la superficie 8 del collare è profilata in modo ondulato e, inoltre, è smussata radialmente, come mostra la sezione trasversale parziale, rappresentata nella figura 10, in corrispondenza del particolare Y della figura 9. Di conseguenza, la superficie 8 del collare e la superficie di appoggio 16 dello stesso si estendono in modo angolato fra loro, la superficie 8 del collare essendo disposta con un angolo α, rispetto ad un piano, perpendicolarmente all'asse mediano della camicia cilindro 1 ed è in contatto con la superficie di appoggio 16 per il collare soltanto in una zona radiale interna. Inoltre, anche la superficie di appoggio 16 per il collare potrebbe essere profilata e smussata.

Riassumendo, secondo l'invenzione, la cedevolezza della zona della superficie di separazione tra la superficie 8 del collare e la superficie di appoggio 16 dello stesso viene aumentata, la resistenza di forma e/o di materiale della superficie 8 del collare e/o della superficie di appoggio 16 dello stesso viene ridotta grazie agli accorgimenti indicati sopra oppure viene previsto uno spessore cedevole 18 tra la superficie 8 del collare e la superficie di appoggio 16 dello stesso.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Motore a combustione interna con almeno una camicia cilindro (1) inserita in un basamento (4), laddove una superficie (8) di un collare radiale esterno (6) della camicia cilindro (1) è precaricata assialmente contro una superficie di appoggio (16) di un appoggio radiale interno (14) per il collare, caratterizzato dal fatto che la rigidezza strutturale della superficie (8) del collare e/o della superficie di appoggio (16) dello stesso è minore di quella delle zone attigue a queste.
2 . Motore a combustione interna secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la superficie di appoggio (16) per il collare e/o la superficie (8) del collare è profilata in direzione assiale, preferibilmente è realizzata in modo ondulato.
3 . Motore a combustione interna secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che la superficie (8) del collare e la superficie di appoggio (16) per il collare sono disposte in modo angolato fra loro in un piano contenente l'asse mediano della camicia cilindro.
4 . Motore a combustione interna secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che la superficie (8) del collare e la superficie di appoggio (16) per il collare sono a contatto fra loro soltanto in una zona radiale interna.
5. Motore a combustione interna secondo la rivendicazione 3 oppure 4, caratterizzato dal fatto che l'angolo (a) tra la superficie (8) del collare e la superficie di appoggio (16) per lo stesso oscilla, preferìbilmente, entro un campo angolare tra 0,4 e 0,6 gradi .