CN101910690A - 用于在内燃机中密封法兰表面的密封元件 - Google Patents

Abstract

一种用于在内燃机中密封法兰表面的密封元件，该密封元件由至少一个环形的金属型材体组成，其特征在于，型材体(1、1’、1”)由线材组成并且具有至少一个核心区域(2、2’、2”)和至少一个弯曲区域(3、4、3’、4’、3”、4”)，其中，线材的材料厚度在核心区域(2、2’、2”)中比在各个弯曲区域(3、4、3’、4’、3”、4”)中大。

Description

用于在内燃机中密封法兰表面的密封元件

技术领域

本发明涉及一种用于在内燃机中密封法兰表面的密封元件，该密封元件由至少一个环形的金属型材体组成。

背景技术

已知在由多个层组成的金属的汽缸头密封件中，以合适的接合方法(例如咬合连接、焊接、铆接)将不同构造的层相互连接。所述层能够具有聚合物密封件形式的翻边或者其它密封元件，从而能够密封流体或者气体。

这种密封元件必须一方面具有足够的弹性性能，从而能够补偿密封面的静态的不平度以及动态的密封缝隙波动(在用作汽缸头密封件时)。另一方面，该密封件必须是足够硬的，从而不会听任不足的张紧力引起密封元件的断裂的发生。

同样已知使用成型的金属环，以便在内燃机的燃烧室边缘上产生足够的预应力。在此使用的原理是，金属的环如此进行塑性变形，从而封闭密封缝隙。然而运行这种密封件的重要的前提条件是不会出现密封缝隙运动，因为塑性变形的金属环几乎不再提供能够用于补偿密封缝隙波动的弹性特性。

从GB 979,408中获知了汽缸套的密封件，该密封件由环形的金属的型材体形成，该型材体在其径向的壁厚上看具有均匀的高度以及基本上对称的横截面轮廓。在汽缸头和发动机缸体之间布置了汽缸头密封件，该汽缸头密封件具有径向的自由空间用于容纳所述型材体。由密封元件的向外拱起的超过汽缸头密封件的轴向结构高度的轮廓，所述型材体在由发动机缸体和汽缸头夹紧时在容纳其的凹槽中如此弹性地变形，从而在型材体的最大的变形压力下除了其侧向的容纳区域之外还具有与进行容纳的凹槽的槽底之间确定的间距。所述型材体由不锈钢制成并且具有从各个径向的端部边界到配属的轴向的侧面的至少在槽底侧尖棱的过渡区域。在此，该尖棱的过渡区域确保了两条密封线的区域内足够高的表面压力。

通过DE 12 53 950公开了一种用于在内燃机中密封汽缸盖的密封环，该密封环由至少一层金属板组成，其中，该层在横截面内构造成圆段状并且内棱以及外棱布置在一个平面内。在此，所述密封环的轴向高度在其整个径向壁厚上看也构造成相同的。此外，在现有技术中提出，所述密封环由两个相互对称布置的密封环组成，所述两个密封环沿着中间的直径接触。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于在内燃机中密封法兰表面的新式的密封元件，该密封元件一方面具有足够的弹性性能，从而补偿相应的密封表面的静态的不平度以及需要时补偿动态的密封缝隙波动。此外，该密封元件必须是足够硬的，从而不会听任不足的张紧力引起密封元件的断裂的发生。

该任务通过以下方法得到解决，即型材体由线材组成并且具有至少一个核心区域以及至少一个弯曲区域，其中，线材的材料厚度在核心区域中比在各弯曲区域中大。

本发明主题的有利的改进方案可以由从属权利要求中获得。

本发明主题基于弯曲横梁的技术上的实施方式。通过施加力或者说在两块板之间(例如在发动机缸体和汽缸头之间)夹紧这样的几何构造，从弯曲横梁的上面、大致在中间进行加载并且力通过两个支撑点支撑在下侧的外侧上。由此，一方面能够精确地确定支撑点并且另一方面能够调节支撑点之间的力分布。此外，所述弯曲横梁的厚度与系统的刚性以及配属于系统的弹性有关系(材料选择)。

在以所述原则为基础的情况下，按本发明提供了多个技术上的实施方式，也就是

-所述线材的径向壁厚如此成型，使得该壁厚大致相应于香蕉的几何形状；

-所述线材具有这样的型廓，使得径向的端部在形成凹口的情况下分别形成两个上面的以及两个下面的弯曲区域；

-所述线材具有这样的型廓，即，在径向内部或者外部具有加厚的核心区域并且在横截面的对置的端部上形成了两个弯曲区域，这两个弯曲区域在原始状态下超过核心区域的轴向高度。

相对于现有技术特别有利的是，至少将各个弯曲区域的自由的径向端部构造成倒圆的形状。由此避免尤其在动态的密封缝隙波动中刻入容纳密封元件的凹槽中。

在使用香蕉状几何形状的线材时，所述型材在中间具有最高的横截面。该横截面(均匀地或者非均匀地)朝两个端部逐渐变细。这意味着，在加载时所述弹性的端部弯曲。在如汽缸头密封件中可以调节的完全压缩情况下，香蕉状的型材的下面的拱形的中部置于相应的法兰表面或者槽底上，从而仅仅该中间的区域承载。通过该作用原理，所谓的阻塞件功能是有根据的。此外，通过阻塞区域确定了额外的密封线。该额外的密封线尤其对于较高压力的密封来说是有利的，因为相对于具有两条密封线的现有技术来说能够放弃尖棱的过渡区域。

相应于传统的弯曲横梁的作用方式也可以传给基于本发明主题的其它型材。形成弯曲区域的外面的端部弹性地弯曲，直到在完全压缩时仅中间的区域还能承载。

因此，用本发明主题将弹簧元件与集成的阻塞元件进行组合。由此，从一个或多个最大的横截面中(只要多个部分区域构造成核心区域)获得阻塞高度或者说安装高度。所述弹性区域的设计确定了这样的线型材的弹性特性(以及密封力)。

通过有针对性地设计型材线几何形状、例如通过有限元方法(FEM)，能够如此选择所述轮廓，从而能够精确地调节安装点中的密封力。由此确保不仅能够补偿各个法兰表面的静态的不平度，而且需要时能够补偿动态的密封缝隙波动。

只要需要额外的微密封，就可以对型材线环例如进行完全的或者仅仅部分的涂层。

根据本发明的其它构思，能够证实有利的是，所述线型材构造成非对称的。由此能够积极地影响发动机缸体或者说汽缸头上的力分布(扭曲变形)。

所述按本发明的密封元件不仅能够与汽缸头密封件组合地使用，而且能够与平面密封件组合地使用或者例如在内燃机的排气管路中用作单独的密封元件。

根据是否要与该线状的介质密封元件组合其它的密封元件，能够获得对按本发明的型材线密封环的不同的要求。可以示范性地考虑以下要求：

-对于微密封进行额外的(至少部分的)涂层，

-对型材线密封环进行接合(也可以考虑的是，该密封环类似于活塞环在触碰处没有接合，而是由此保持)，

-构造至少一个对于接合方法来说需要的区域或者说范围。

根据本发明的其它构思，所述成型的线材由弹簧钢制成，该弹簧钢有利地具有≥600MPa的屈服极限。

对此适合的是已知的奥氏体的或者马氏体的、不锈的或者说少锈的材料。

同样可以考虑，所述线材由非不锈钢制成。

本领域技术人员根据应用情况来选择合适的材料。

可以普遍地说，作为用于型材线的材料，考虑所有带有弹性的或者说弹动的性能的弹簧钢。

在这里例如称为奥氏体的铬镍钢、马氏体的铬钢、贝氏体的或者说马氏体的碳钢或者多相钢。对于在排气管路中用作密封元件的情况，涉及镍基合金。

合适的材料的组合或者也许合适的多种材料的组合、根据需要在包含硬化过程和/或热处理以及优化的几何构造(线材横截面)的情况下，在所有运行状态下根据安装位置确保了按本发明的密封元件的功能。

根据应用情况，例如轿车或者载货车、柴油发动机或者汽油发动机、加载了(例如涡轮发动机或者压缩机)或者没加载，所述密封元件的各个其它匹配的几何形状可能是最有利的(根据燃烧压力或者燃烧温度考虑不同的横截面)。

借助于几何形状、各个核心区域的厚度、各个弯曲区域的横截面以及所选择的材料能够调节所述型材线密封环应该具有何种弹性作用以及何种安装厚度。根据使用情况能够-如已经提到的-用所述线材的各个核心区域实现一种阻塞件。

通过不同的横截面的组合能够产生复杂的几何构造，所述几何构造对于应用来说具有所需要的弹性性能。

这种密封元件的其它较大优点在于，所使用的型材线已经具有所需要的成品尺寸，并且由此只需实施变形过程以及根据需要实施接合过程并且必要时实施热处理，从而制成介质密封元件。机械的再处理只可能是急需情况。

对于同样根据需要使用的接合过程，不仅可以考虑力配合的、形状配合的方法，也可以考虑材料配合的方法。然而也可以是例如由形状配合以及材料配合的方法组成的组合(例如机械的扭接连接连同随后粘结触碰位置)。

有重要意义的是，通过型材线的所选择的几何构造与合适的材料的联系能够非常强烈地影响其载荷/变形曲线。理想的载荷变形曲线通过载荷变形图中水平的线条表示。这意味着，一开始所述变形随着载荷的增加成比例地增加。从一定的载荷水平起，该载荷(几乎)保持不变，而型材继续变形。只有当型材几乎完全变形时，所述载荷在只有很微小的变形时非常剧烈地上升。在最后完全压缩时只有载荷可以上升，更确切地说不会引起其它变形(然而还可以考虑塑性变形)。在这种相互关系中，按本发明的型材线的回弹特性具有重要意义。回弹率是弹性变形与塑性变形的比的尺度。在加载这种型材时塑性变形越小，那么在其释放时回弹性能越好。在这种情况下，能够借助于几何构造以及材料选择来实现非常接近于所描述的理想情况的载荷变形性能。由此能够：

-精确地确定这种密封元件的安装点，

-实现非常高的程度的回弹性能，

-在密封功能相同或者更好时将所需要的拧紧力降低到最低限度，

-将在发动机缸体或者其它密封法兰上的扭曲变形降低到最低限度，

-补偿更大的密封缝隙运动或者说密封缝隙波动。

附图说明

本发明的主题根据实施例在附图中示出并且如下进行说明。其中：

图1到3示出按本发明的密封元件的不同的几何形状的设计方式；

图4示出处于预装配的状态下的按图2的密封元件；

图5示出按图4的密封元件的俯视图；

图6示出处于预装配的状态下的按图1的密封元件；

图7示出处于其完全压缩的状态下的按图6的密封元件；

图8示出与常规的翻边相比，载荷关于按本发明的密封元件的挠曲程度的图线。

具体实施方式

图1示出了香蕉形状的密封元件1，其具有确定的弹性的(弹簧)性能。

图2和3示出了从图1导出的设计方式的密封元件1’、1”。

按图1到3的所有几何形状的重要的特征是，它们一方面具有至少一个在使用条件下(根据密封元件的布置情况)能够承担阻塞件功能的核心区域2、2’、2”，并且另一方面包含至少一个可弹性弯曲的在使用条件下确保弹性的密封功能的区域3、4、3’、4’、3”、4”。

按图1的具有香蕉状的几何形状的密封元件1在其中间具有最高的横截面。该横截面(均匀地或者不均匀地)朝两个端部3、4逐渐变细。这意味着，在加载F时相应弹性的端部3、4、3’、4’、3”、4”弯曲，直到完全压缩时仅仅还有核心区域2、2’、2”承受该载荷。

因此，借助于本发明的主题将弹簧元件(弯曲区域3、4、3’、4’、3”、4”)与阻塞元件(核心区域2、2’、2”)进行组合。由此，从这种型材的一个或多个最大的横截面(当密封元件1、1’、1”的多个部分区域构造成核心区域时)中获得阻塞高度或者说安装厚度(只要仅仅使用型材线-不使用其他层)。弹性的区域3、4、3’、4’、3”、4”的设计确定了这种密封元件1、1’、1”的弹性性能以及密封力。

如已经提及的，按本发明的密封元件1、1’、1”不仅能够布置在发动机缸体和汽缸头之间，而且此外还能在排气管路中用于密封。由于不同的运行温度，这里也使用了不同的材料。

只要在汽缸头密封件的区域中使用按本发明的密封元件1、1’、1”，那么该材料必须能够被用于直至大约350℃的温度。

如果按本发明的密封元件1、1’、1”例如用作排气密封件，那么其必须适合于在＞350℃直到大约1000℃的温度时使用。

下面仅仅示例性地给出一些合金。

所有的说明以重量百分比给出。

A在汽缸头密封件的区域中使用的密封元件

1.奥氏体钢

C  最多0.15％

Si 最多2.0％

Mn 最多9.5％

P  最多0.45％

S  最多0.04％

Cr 12.0到21.0％

Ni 最多16.0％

Mo 最多4.0％

Cu 最多4.0％

Fe 其余部分

2.马氏体钢

C  0.16到0.50％

Si 最多1.0％

Mn 最多1.5％

P  最多0.045％

S  最多0.04％

Cr 12.0到14.5％

Ni 最多0.75％

Mo 最多1.0％

Fe 其余部分

3.非不锈钢

C  0.50到1.30％

Si 最多3.0％

Mn 最多3.0％

P  最多0.035％

S  最多0.035％

Cr 最多2.0％

Fe 其余部分

B用在排气法兰密封件的区域中的密封元件

根据温度区域(＞350℃)能够使用镍基合金或者镍基超合金。在使用这种按本发明的密封元件的框架内，在这里基本上涉及具有在17％和23％之间的铬含量以及在25％和55％之间的镍含量的镍铬钢。

所述元件的所有说明以重量百分比给出。

所述密封元件1、1’、1”的弯曲区域不依赖于其是否对称地或非对称地构造而设有倒圆的端部区域，以便抵抗刻入相应的对应接触面中。

图4示出了说明性的预装配的状态。可以看出汽缸头5以及发动机缸体6，该发动机缸体包含至少一个燃烧室7。在这里应该使用按图2的密封元件1’。示出了没有夹紧的状态，也就是说所述密封元件1’首先定位在发动机缸体6和汽缸头5之间。

图5示出了按图4的密封元件1’。所述环形构成的成型的密封元件1’在该例子中应该作为敞开的成型体制造，其自由的端部区域8、9通过合适的接合方法例如通过焊缝10相互连接。

图6和7示出了按图1的密封元件1，其一，处于相应于图4的位置中(图6)，并且另一个处于完全压缩的状态下(图7)。可以看出核心区域2以及弯曲区域3、4。如果要将密封元件1例如夹紧在汽缸头5和发动机缸体6之间，那么通过所施加的外部的轴向力的作用F将相应的弯曲区域3、4沿径向变形，而在完全压缩时所述核心区域2夹紧在密封面5’、6’之间并且由此形成阻塞区域11。因此形成了一种三点支撑部3、4、11，其中弯曲区域3、4可弹性变形地保持并且由此也能够实现动态的密封波动(Dichtungschwingung)。

图8示出了关于挠曲程度来绘出的载荷的图线。将传统的翻边12和按本发明的型材线(例如按图1的型材线)进行比较。

理想的载荷变形曲线由载荷变形图中水平的线条表示。这意味着，一开始所述型材线1的变形随着载荷的增加成比例地增加。从一定的载荷水平起，该载荷基本上保持不变，而型材继续变形。只有当型材几乎完全变形时，所述载荷在只有很微小的变形的情况下非常剧烈地上升。在完全压缩时只有载荷可以上升。

Claims (24)

1.密封元件，用于在内燃机中密封法兰表面，所述密封元件由至少一个环形的金属型材体组成，其特征在于，所述型材体(1、1’、1”)由线材组成并且具有至少一个核心区域(2、2’、2”)和至少一个弯曲区域(3、4；3’、4’3”、4”)，其中，所述线材(1、1’、1”)的材料厚度在所述核心区域(2、2’、2”)中比在各个所述弯曲区域(3、4；3’、4’；3”、4”)中大。

2.按权利要求1所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1、1’、1”)构造成打开的或者封闭的环。

3.按权利要求1或2所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1)的径向壁厚以如下方式成型，即，所述壁厚相应于香蕉的几何形状。

4.按权利要求1或2所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1’)具有下述型廓，即，径向的端部在形成凹口的情况下分别形成两个弯曲区域(3、3’、4、4’、3”、4”)。

5.按权利要求1或2所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1”)具有下述的型廓，即，在径向内部或者外部具有加厚的核心区域(2”)并且在横截面的对置的端部上形成两个弯曲区域(3”、4”)。

6.按权利要求1到5中任一项所述的密封元件，其特征在于，各个所述弯曲区域(3、3’、4、4’、3”、4”)在原始状态下超过所述核心区域(2、2’、2”)的轴向高度。

7.按权利要求1到6中任一项所述的密封元件，其特征在于，至少将各个所述弯曲区域(3、4；3’、4’3”、4”)的自由的径向端部区域设置成倒圆的形状。

8.按权利要求1到7中任一项所述的密封元件，其特征在于，将各个所述弯曲区域(3、4；3’、4’3”、4”)的材料厚度相同地构造。

9.按权利要求1到7中任一项所述的密封元件，其特征在于，将各个所述弯曲区域(3、4；3’、4’3”、4”)的材料厚度不同地构造。

10.按权利要求1到9中任一项所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1、1’、1”)是汽缸头密封件的部分。

11.按权利要求1到10中任一项所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1、1’、1”)设置在所述汽缸头密封件的各个燃烧室通孔的区域内。

12.按权利要求1到11中任一项所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1、1’、1”)设置在至少一个介质通孔、如水孔或者油孔的区域内。

13.按权利要求1到9中任一项所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1、1’、1”)是平面密封件的部分，尤其是排气法兰密封件的部分。

14.按权利要求1到13中任一项所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1、1’、1”)是燃烧空气的输入区域内的和/或燃烧气体的输出区域内的单个的密封元件。

15.按权利要求1到14中任一项所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1、1’、1”)至少部分地与所述汽缸头密封件或者排气法兰密封件的部分连接。

16.按权利要求1到15中任一项所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1、1’、1”)沿径向能运动地布置在各个开口上。

17.按权利要求1到16中任一项所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1、1’、1”)由弹簧钢制成。

18.按权利要求1到17中任一项所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1、1’、1”)根据使用情况具有≥600MPa的屈服极限。

19.按权利要求1到18中任一项所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1、1’、1”)由奥氏体的不锈的或者说少锈的材料制成。

20.按权利要求1到18中任一项所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1、1’、1”)由马氏体的不锈的或者说少锈的材料制成。

21.按权利要求1到18中任一项所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1、1’、1”)由非不锈钢制成。

22.按权利要求1到18中任一项所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1、1’、1”)由镍基合金制成。

23.按权利要求1到18中任一项所述的密封元件，其特征在于，所述线材(1、1’、1”)由镍基超合金制成。

24.按权利要求1到22中任一项所述的密封元件，其特征在于，密封线的确定功能的区域至少部分地被涂层。

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