CN101994596A - 用于内燃机的气缸盖组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于内燃机的气缸盖组件。用于将气缸盖组件的气缸盖阀座槽与阀座插件接口密封的密封系统包括在阀座插件槽和阀座插件之间压缩的阀座槽垫圈，阀座槽垫圈具有带有至少一个密封件的活性材料层，在密封件和阀座插件槽、阀座插件或两者的接口处限定压缩密封件，从而防止燃料或水进入阀座插件和阀座插件槽之间。

Description

用于内燃机的气缸盖组件
技术领域
本发明涉及用于内燃机的气缸盖组件，所述气缸盖组件具有阀座插件，且更具体地涉及抵抗气缸盖腐蚀的气缸盖密封组件。
背景技术
阀座插件可以插入内燃机的气缸盖中以改进耐用性。这种插件通常用于由较软和较轻合金制成的气缸盖，所述较软和较轻合金可能不具有高温高磨损环境所需的稳固强度、硬度、磨损和其它材料特性。阀座插件通常被压配合到气缸盖中的阀座插件槽中，且通常由相对硬的耐磨损且耐热的材料(例如，铸造金属或烧结金属)制成。当安装在气缸盖中时，阀座插件有效地提供发动机往复阀的耐用安置表面。
阀座插件与气缸盖阀座插件槽的压配合匹配可导致在阀座插件和气缸盖材料的接口处形成微小间隙或缝隙。在发动机操作期间，液体和蒸汽(包括燃料、水或其它污染物)可进入这些开口且捕获在阀座插件表面和气缸盖阀座插件槽之间。虽然所捕获的液体或蒸汽在基于含有相对低百分比的醇的燃料(例如使用乙醇的大多数燃料)操作的发动机中相对温和，但是在基于含有相对高百分比的醇的燃料(可包括甲醇或其它腐蚀性污染物和成分)操作的发动机中会是腐蚀性的，尤其是在气缸盖由铝合金或其它轻质合金材料制成的情况下。
在采用含有相对高百分比的醇(例如，大于15％乙醇/甲醇)的燃料的发动机中，所捕获的燃料、溶解在燃料中的环境水、蒸汽或其全部可在与阀座插件相关的区域中形成和/或促进形成可腐蚀气缸盖、阀座插件或两者的腐蚀性酸或副产物。此外，这些成分可借助于用作与插件和气缸盖的不同金属接触的电解质而通过电镀效应促进不同金属的腐蚀。也可以预期的是，电镀腐蚀可在与电解质接触的表面上的不同金属成分(例如在常用铝合金中的铜-铝(Cu-Al)界面)之间发生。随着时间的经过，这种腐蚀可影响气缸盖和相关阀座插件的耐用性，尤其是在由铝合金制成的气缸盖中。
已经提出各个方法来解决与含有醇的燃料相关的腐蚀问题，包括在安装阀座插件之前用环氧树脂或酚醛树脂密封剂涂覆气缸盖阀座插件槽。然而，如果在涂覆期间错误涂覆到发动机或阀的其它部件上或者在发动机操作期间燃烧，这种材料会引起对装置(例如，氧气传感器或其它环境装置)的潜在污染问题，因而在气缸盖组件的制造期间必须极小心和仔细地涂覆或者应当避免。
因而，期望提供避免腐蚀作用的阀座插件和气缸盖密封组件，尤其是可能由含有诸如乙醇和甲醇的醇且也可包括水和其它腐蚀成分的燃料引起或者与所述燃料相关的腐蚀。
发明内容
在本发明的一个示例性实施例中，配置成在气缸盖组件的气缸盖阀座插件槽和阀座插件之间被压缩的阀座槽垫圈包括至少一个活性层，所述至少一个活性层具有至少一个可压缩密封台肩(bead)，所述至少一个可压缩密封台肩在可压缩密封台肩与气缸盖阀座插件槽和阀座插件的接口处限定压缩密封件。
在本发明的另一个示例性实施例中，一种用于内燃机的气缸盖组件的密封系统包括：具有燃烧室的气缸盖；通向燃烧室中的端口；围绕所述端口周向设置的阀座插件槽；设置在所述阀座插件槽内的阀座插件；以及在所述阀座插件槽和阀座插件之间被压缩的阀座槽垫圈。阀座槽垫圈包括至少一个活性层，所述至少一个活性层具有至少一个可压缩密封台肩，所述至少一个可压缩密封台肩在阀座插件槽和阀座插件之间限定压缩密封件。
在本发明的又一个示例性实施例中，一种内燃机的气缸盖组件包括：具有燃烧室的气缸盖；通向燃烧室中的端口；阀，所述阀可移动地设置在端口内且能从关闭位置移动至开启位置；围绕所述端口周向设置的阀座插件槽；设置在所述插件槽内的阀座插件，其中，在关闭位置，阀安置在阀座插件上；以及在所述阀座插件槽和阀座插件之间被压缩的阀座槽垫圈。阀座槽垫圈包括至少一个活性层和至少一个止挡层，所述至少一个活性层具有处于压缩下的至少一个可压缩密封台肩，在密封台肩与阀座插件槽和阀座的接口处限定压缩密封件，从而防止燃料或水进入阀座插件和阀座插件槽之间，所述至少一个止挡层邻近所述至少一个活性层且与所述至少一个活性层一起压缩，并包括止挡部件特征，所述止挡部件特征包括凸起元件，所述凸起元件在止挡部件特征和材料的所述至少一个活性层的接口处限定第二压缩密封件并限定用于所述至少一个活性层的变形限制器。
方案1.一种配置成在气缸盖组件的气缸盖阀座插件槽和阀座插件之间被压缩的阀座槽垫圈，包括：
至少一个活性层，所述至少一个活性层具有至少一个可压缩密封台肩，在可压缩密封台肩与气缸盖阀座插件槽和阀座插件的接口处限定压缩密封件。
方案2.根据方案1所述的阀座槽垫圈，还包括：
邻近所述至少一个活性层的至少一个钝性止挡层；以及
在所述至少一个止挡层中形成的止挡部件特征，所述止挡部件特征包括凸起元件，限定用于所述至少一个活性层的变形限制器。
方案3.根据方案1所述的阀座槽垫圈，其中，所述至少一个活性层包括不锈钢、弹簧钢、工程塑料、复合物或其任何组合。
方案4.根据方案2所述的阀座槽垫圈，其中，所述至少一个钝性止挡层的硬度低于活性层的硬度，且其中，止挡层包括不锈钢、低碳钢、聚合物、弹性体或其组合。
方案5.根据方案1所述的阀座槽垫圈，其中，所述至少一个可压缩密封台肩包括凸起拱形截面。
方案6.根据方案1所述的阀座槽垫圈，其中，所述至少一个可压缩密封台肩包括凸起和压平阶梯状截面。
方案7.根据方案2所述的阀座槽垫圈，其中，具有至少一个可压缩密封台肩的第一活性层定位成邻近所述至少一个钝性止挡层的第一侧，且还包括具有至少一个可压缩密封台肩的第二活性层，所述第二活性层定位成邻近所述至少一个钝性止挡层的第二侧。
方案8.根据方案1所述的阀座槽垫圈，还包括：
密封涂层，所述密封涂层涂覆到阀座槽垫圈且可塑性或弹性变形，以增强所述至少一个可压缩密封台肩和气缸盖阀座插件槽和阀座插件之间的密封。
方案9.根据方案8所述的阀座槽垫圈，其中，密封涂层能包括高温、耐用和可压缩材料，例如二硫化钼、聚四氟乙烯(PTFE或
Figure BSA00000219473900031
)、环氧树脂和酚醛树脂、硅树脂、铝环氧酯、石墨、聚丙烯酸、RTV或橡胶、陶瓷或其组合。
方案10.一种用于内燃机的气缸盖组件的密封系统，包括：
具有燃烧室的气缸盖；
通向燃烧室中的端口；
围绕所述端口周向设置的阀座插件槽；
设置在所述阀座插件槽内的阀座插件；以及
在所述阀座插件槽和阀座插件之间被压缩的阀座槽垫圈，阀座槽垫圈包括：
至少一个活性层，所述至少一个活性层具有至少一个可压缩密封台肩，在阀座插件槽和阀座插件之间限定压缩密封件。
方案11.根据方案10所述的用于内燃机的气缸盖组件的密封系统，还包括：
邻近所述至少一个活性层的至少一个钝性止挡层；以及
从所述钝性止挡层延伸的止挡部件特征，所述止挡部件特征包括凸起元件，限定凸起元件和活性层的接口处的第二压缩密封件和限定用于所述至少一个活性层的变形限制器。
方案12.根据方案10所述的用于内燃机的气缸盖组件的密封系统，其中，所述至少一个活性层包括不锈钢、弹簧钢、工程塑料、复合物或其任何组合。
方案13.根据方案11所述的用于内燃机的气缸盖组件的密封系统，其中，所述至少一个钝性止挡层的硬度低于所述至少一个活性层的硬度，且其中，钝性止挡层包括不锈钢、低碳钢、聚合物、弹性体或其组合。
方案14.根据方案10所述的用于内燃机的气缸盖组件的密封系统，其中，所述至少一个可压缩密封台肩包括凸起拱形截面。
方案15.根据方案10所述的用于内燃机的气缸盖组件的密封系统，其中，所述至少一个可压缩密封台肩包括凸起和压平阶梯状截面。
方案16.根据方案10所述的用于内燃机的气缸盖组件的密封系统，其中，具有至少一个可压缩密封台肩的第一活性层定位成邻近所述至少一个钝性止挡层的第一侧，且还包括具有至少一个可压缩密封台肩的第二活性层，所述第二活性层定位成邻近所述至少一个钝性止挡层的第二侧。
方案17.根据方案10所述的用于内燃机的气缸盖组件的密封系统，还包括：
密封涂层，所述密封涂层涂覆到阀座槽垫圈且可塑性或弹性变形，以增强所述至少一个可压缩密封台肩和气缸盖阀座插件槽和阀座插件之间的密封。
方案18.根据方案17所述的用于内燃机的气缸盖组件的密封系统，其中，密封涂层能包括高温、耐用和可压缩材料，例如二硫化钼、聚四氟乙烯(PTFE或
Figure BSA00000219473900051
)、环氧树脂和酚醛树脂、硅树脂、铝环氧酯、石墨、聚丙烯酸、RTV或橡胶、陶瓷或其组合。
方案19.一种内燃机的气缸盖组件，包括：
具有燃烧室的气缸盖；
通向燃烧室中的端口；
阀，所述阀可移动地设置在端口内且能从关闭位置移动至开启位置；
围绕所述端口周向设置的阀座插件槽；
设置在所述插件槽内的阀座插件，其中，在关闭位置，阀安置在阀座插件上；以及
在所述阀座插件槽和阀座插件之间被压缩的阀座槽垫圈，阀座槽垫圈包括：
至少一个活性层，所述至少一个活性层具有处于压缩下的至少一个密封台肩，在密封台肩与阀座插件槽和阀座的接口处限定压缩密封件，从而防止燃料或水进入阀座插件和阀座插件槽之间；和
至少一个止挡层，所述至少一个止挡层邻近所述至少一个活性层且与所述至少一个活性层一起压缩，并包括止挡部件特征，所述止挡部件特征包括凸起元件，所述凸起元件在止挡部件特征和材料的所述至少一个活性层的接口处限定第二压缩密封件并限定用于所述至少一个活性层的变形限制器。
方案20.根据方案19所述的内燃机的气缸盖组件，其中，具有至少一个可压缩密封台肩的第一活性层定位成邻近所述至少一个钝性止挡层的第一侧，且还包括具有至少一个可压缩密封台肩的第二活性层，所述第二活性层定位成邻近所述至少一个钝性止挡层的第二侧。
附图说明
在实施例的以下详细说明中，仅仅通过示例的方式显现其它目的、特征、优势和细节，详细说明参考附图，在附图中：
图1是体现本发明特征的内燃机的气缸盖组件的燃烧室的气缸盖部分的示例性实施例的部分平面图；
图2是沿图1的截面2-2截取的气缸盖的部分截面图；
图3是在组装到图1的气缸盖组件之前体现本发明特征的阀座插件和阀座槽垫圈的透视截面图；
图4A-D示出了体现本发明特征的阀座槽垫圈的示例性径向截面；
图5是在压缩下的图4B的阀座槽垫圈的径向截面；和
图6是在压缩下的另一个示例性阀座槽垫圈的径向截面。
具体实施方式
以下说明本质上仅仅是示例性的且不旨在限制本发明、其应用或使用。应当理解的是，在附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
根据本发明的示例性实施例，如图1所示，用于内燃机(未示出)的气缸盖组件8包括具有燃烧室10的气缸盖12。很大程度上取决于具体发动机和/或燃料系统配置(例如，柴油或汽油)，燃烧室可包括多个各种配置。在活塞头相对平坦的情况下，燃烧室的大部分可位于气缸盖12中。在其它情况下，例如在许多柴油应用中，燃烧室的大部分可位于活塞头中，从而导致气缸盖包括较简单的燃烧面。为了该说明的目的，所有设想的配置应当称为燃烧室10。气缸盖12包括一个或多个进气端口14，在发动机操作期间，燃料/空气混合物通过进气端口14被引入燃烧室10中。燃料/空气混合物由往复活塞(未示出)压缩且在燃烧室10中燃烧。燃烧事件驱动活塞的往复运动且因而驱动发动机。排气端口16提供用于从燃烧室10排出燃烧产物。
参考图2，提升阀18可移动地设置在气缸盖12的每个进气端口14中且控制进入燃烧室10的燃料和空气流量。提升阀18能选择性地从关闭位置移动至开启位置(图2中以幻影线示出)，在关闭位置中，阀接合阀座20，在开启位置中，提升阀18从阀座20移开，以允许燃料和空气进入燃烧室10。类似的提升阀(未示出)设置在每个排气端口16中且以与提升阀18类似的方式操作以允许燃烧产物离开燃烧室10。
气缸盖12包括一体形成的阀座插件槽或腔22，阀座插件槽或腔22各配置成接收阀座插件24。阀座插件槽或腔22可机加工到气缸盖12中或者可以接近最终形状铸造。阀座插件槽或腔22围绕进气端口14(和排气端口16)形成或者包围进气端口14(和排气端口16)，且包括插件支承肩部26和外部环形壁28。参考图2和3，阀座插件24是大致圆形或环形的，且包括外部环形表面30，外部环形表面30的直径稍微大于(大约0.7μm的量级)气缸盖阀座插件槽22的外部环形壁28的直径。气缸盖阀座插件槽22和阀座插件24的直径之间的尺寸差允许表面28和30之间的干涉或“压配合”匹配。具体地，阀座插件24以有效地使得每个阀座插件的外部环形表面30邻接地和摩擦地接合每个气缸盖阀座插件槽22的相关环形壁28的方式压配合到气缸盖12的气缸盖阀座插件槽22中，从而将阀座插件24紧固在气缸盖12的燃烧室10内。
每个阀座插件24的外部环形表面30可包括将其连接到槽安置表面32的成角度或锥形引导边缘部分34。在压配合过程期间，锥形引导边缘部分34有助于对中阀座插件24并将阀座插件24引导到气缸盖阀座插件槽22中。在一些情况下，由于锥形引导边缘部分34，在阀座插件24和气缸盖阀座插件槽22之间可形成小的环形间隙35。在发动机操作期间，该环形间隙35可捕获在燃烧室或进气或排气端口中存在且沿支承肩部26和阀座插件24的槽安置表面32之间的接口输送到所述间隙的各种进气或排气材料，包括例如碎屑、腐蚀性成分、液体(例如，燃料、水等)、蒸汽(例如，未燃烧汽化燃料或水)或其组合。这种污染可导致腐蚀气缸盖12和/或阀座插件24。此外，每个阀座插件24包括具有成角度或倾斜部分或阀座20的内部环形表面36，成角度或倾斜部分或阀座20适合于一致地和密封地接收和接合提升阀18的外部密封表面38，以允许提升阀分别选择性地密封燃烧室10的进气端口14或排气端口16。阀座插件24可由相对耐用、抗磨损和已热处理的金属材料制成，例如硬化、已热处理的烧结粉末金属、铸钢或铁。
参考图2、3和4A-4D，在示例性实施例中，阀座槽垫圈(总体上以40表示)设置在气缸盖12的每个阀座插件24和阀座插件槽22之间。阀座槽垫圈40可构造成单层(SL)垫圈(图4A)或多层(ML)垫圈(图4B、C和D)，在插件支承肩部26和槽安置表面32的区域中使用各种密封特征或功能以密封和防止进气或排气材料进入阀座插件24和阀座插件槽22的接口处。阀座槽垫圈40可包括一个或多个第一或活性层42。活性层可由相对硬的刚性材料制成，例如不锈钢、弹簧钢、塑料、复合物或其任何组合。在置于压缩中时，活性层42的材料属性提供一定程度的不可变形韧性，其优势将进一步描述。阀座槽垫圈40也可以包括第二钝性层44，第二钝性层44可由更软、更低柔韧性的材料(其硬度低于活性层42的硬度)构成，该材料例如，较低硬度的不锈钢、低碳钢、聚合物、弹性体或其它合适的低硬度材料或其组合。
如图4A-4D的示例中所示，一个或多个活性层42包括可通过在制造垫圈期间冲压材料形成的一个或多个周向延伸的可压缩密封件或台肩46。密封件或台肩46可采用多个形式或截面中的一种，例如凸起拱形或凸起和压平阶梯状配置。在示例性实施例中，第二止挡层44包括止挡部件特征48。止挡部件特征48可包括凸起凸台或元件，在抵靠活性层42压缩时用作密封元件以及在组装到气缸盖组件8中时用作组装阀座槽垫圈40的变形限制器，如本文所述。活性层42和止挡层44可物理地彼此连接(例如通过焊接或卷边)以形成单件阀座槽垫圈40，或者可以彼此相邻地放置，而不相应地机械固定活性层42和止挡层44。
再次参考图2，为了组装气缸盖组件8，阀座槽垫圈40的一个示例性实施例(图4B)首先设置在每个阀座插件槽22中。阀座插件24压配合到每个阀座插件槽22中，从而在插件支承肩部26和槽安置表面32之间捕获阀座槽垫圈40。参考图5，在阀座插件24压配合到气缸盖阀座插件槽22中期间，活性层42的密封件或台肩46在操作压力下变形。取决于密封台肩的数量和位置，该变形将在密封台肩46和支承肩部26、槽安置表面32或两者的接口处建立压缩密封件。在示例性实施例中，由于在压缩期间施加在活性层42上的弯曲应力，在密封台肩46和支承肩部26、槽安置表面32或两者之间的最高水平的压缩(从而密封)将沿过渡线47，过渡线47在密封件46的第一或活性层42中的过渡部处限定。在示例性实施例中，在阀座插件24压配合到阀座插件槽22中期间，在止挡层44中形成的止挡部件特征48操作以限制活性层42的变形，且更具体地限制密封台肩46的变形，从而确保更有效的密封件50。止挡部件特征48的压缩也在与活性层42的接口处建立密封件51，以防止燃料或水进入。
再次参考图4A，为了提高阀座槽垫圈40对插件支承肩部26或阀座插件24的槽安置表面32的表面粗糙性的密封能力，薄密封涂层54可涂覆到阀座槽垫圈40和插件支承表面26。涂层54可优选涂覆到密封件46、止挡部件特征48或两者，或者为了便于制造可以涂覆到阀座槽垫圈40的整个表面。当在气缸盖12和阀座插件24之间压缩时，在阀座槽垫圈上成层的密封涂层54塑性或弹性变形，从而改进密封组件的密封特性。密封涂层54可包括任何高温、耐用和可压缩材料。示例包括高温复合材料，例如二硫化钼、聚四氟乙烯(PTFE或)、环氧树脂和酚醛树脂、硅树脂、铝环氧酯、石墨、聚丙烯酸、RTV或橡胶、陶瓷或其组合。
阀座槽垫圈40操作以有效地密封阀座插件槽22的表面26以及槽安置表面32(包括阀座插件24的锥形引导边缘部分34)防止暴露于各种进气和排气成分材料(包括可包含乙醇、甲醇的醇基燃料、溶解在燃料中的水、蒸汽或其任何组合)，各种进气和排气成分材料可捕获在阀座插件24和阀座插件槽22之间的间距或间隙中。密封层54可用于提供对阀座槽垫圈40的密封特性的进一步改进，因为将经由在垫圈40与气缸盖12和阀座插件24的接口处形成不可渗透或半渗透性保护层(例如，密封件)而提高对腐蚀的抵抗，将通过减少或消除所存在的腐蚀性介质进入这种位置而操作减缓或防止由这种腐蚀性介质引起的化学攻击。作为密封层54的替代或者除了密封层54之外，可设想的是，可压缩密封台肩60(图6)可设置在一个或多个密封台肩46之间。取决于可压缩密封台肩60的数量和位置，在施加压缩力50时，可压缩密封台肩60也将在密封台肩46和支承肩部26、槽安置表面32或两者之间压缩。
虽然本发明已经参考示例性实施例进行描述，但是本领域技术人员将理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以作出各种变化且等价物可替代其元件。此外，可以作出许多修改以使得具体情形或材料适合本发明的教导，而不偏离其实质范围。因而，本发明并不旨在限于作为用于实施本发明的最佳模式公开的具体实施例，而本发明将包括落入本申请范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种配置成在气缸盖组件的气缸盖阀座插件槽和阀座插件之间被压缩的阀座槽垫圈，包括：
至少一个活性层，所述至少一个活性层具有至少一个可压缩密封台肩，在可压缩密封台肩与气缸盖阀座插件槽和阀座插件的接口处限定压缩密封件。
2.根据权利要求1所述的阀座槽垫圈，还包括：
邻近所述至少一个活性层的至少一个钝性止挡层；以及
在所述至少一个止挡层中形成的止挡部件特征，所述止挡部件特征包括凸起元件，限定用于所述至少一个活性层的变形限制器。
3.根据权利要求1所述的阀座槽垫圈，其中，所述至少一个活性层包括不锈钢、弹簧钢、工程塑料、复合物或其任何组合。
4.根据权利要求2所述的阀座槽垫圈，其中，所述至少一个钝性止挡层的硬度低于活性层的硬度，且其中，止挡层包括不锈钢、低碳钢、聚合物、弹性体或其组合。
5.根据权利要求1所述的阀座槽垫圈，其中，所述至少一个可压缩密封台肩包括凸起拱形截面。
6.根据权利要求1所述的阀座槽垫圈，其中，所述至少一个可压缩密封台肩包括凸起和压平阶梯状截面。
7.根据权利要求2所述的阀座槽垫圈，其中，具有至少一个可压缩密封台肩的第一活性层定位成邻近所述至少一个钝性止挡层的第一侧，且还包括具有至少一个可压缩密封台肩的第二活性层，所述第二活性层定位成邻近所述至少一个钝性止挡层的第二侧。
8.根据权利要求1所述的阀座槽垫圈，还包括：
密封涂层，所述密封涂层涂覆到阀座槽垫圈且可塑性或弹性变形，以增强所述至少一个可压缩密封台肩和气缸盖阀座插件槽和阀座插件之间的密封。
9.一种用于内燃机的气缸盖组件的密封系统，包括：
具有燃烧室的气缸盖；
通向燃烧室中的端口；
围绕所述端口周向设置的阀座插件槽；
设置在所述阀座插件槽内的阀座插件；以及
在所述阀座插件槽和阀座插件之间被压缩的阀座槽垫圈，阀座槽垫圈包括：
至少一个活性层，所述至少一个活性层具有至少一个可压缩密封台肩，在阀座插件槽和阀座插件之间限定压缩密封件。
10.一种内燃机的气缸盖组件，包括：
具有燃烧室的气缸盖；
通向燃烧室中的端口；
阀，所述阀可移动地设置在端口内且能从关闭位置移动至开启位置；
围绕所述端口周向设置的阀座插件槽；
设置在所述插件槽内的阀座插件，其中，在关闭位置，阀安置在阀座插件上；以及
在所述阀座插件槽和阀座插件之间被压缩的阀座槽垫圈，阀座槽垫圈包括：
至少一个活性层，所述至少一个活性层具有处于压缩下的至少一个密封台肩，在密封台肩与阀座插件槽和阀座的接口处限定压缩密封件，从而防止燃料或水进入阀座插件和阀座插件槽之间；和
至少一个止挡层，所述至少一个止挡层邻近所述至少一个活性层且与所述至少一个活性层一起压缩，并包括止挡部件特征，所述止挡部件特征包括凸起元件，所述凸起元件在止挡部件特征和材料的所述至少一个活性层的接口处限定第二压缩密封件并限定用于所述至少一个活性层的变形限制器。
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