CN102422060A - 在内燃机中用于密封法兰面的密封垫元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在内燃机中密封法兰面的密封垫元件，包括至少一个环形的金属的成型体，其特征在于，成型体(1、1′)由一种金属丝构成并且具有至少一个核心区域(2、2′)和至少一个弯曲区域(3、3′)，金属丝的材料厚度构成为在核心区域内比在相应的弯曲区域内大，并且金属丝在核心区域内设有至少一个连接机构(5、5′、15′)，用于与至少另一构件(1′、1、9、15)间接或直接连接。

Description

在内燃机中用于密封法兰面的密封垫元件

技术领域

本发明涉及一种在内燃机中用于密封法兰面的密封垫元件，包括至少一个环形的金属的成型体。

背景技术

已知，在包括多个层的金属的气缸盖密封垫中，不同的层利用适合的接合方法(例如咬合、焊接、铆接)相互连接。这些层可以具有以聚合物的密封垫形式存在的翻边或其他的密封垫元件，以便密封液体或气体。

这些密封垫元件一方面必须具有足够的弹簧特性，以便补偿密封面的静态的不平度以及动态的密封缝隙变动(在用作为气缸盖密封垫时)。另一方面这些密封垫必须是足够刚性的，以便不这样松弛，以致不足的夹紧力引起密封垫元件的脱落。

同样已知，为了在一个内燃机的燃烧室边缘上产生足够的预紧，采用成型的金属环。在此采用的原理是，使一个金属环这样塑性变形，以致将密封缝隙封闭。但对于一个这样的密封垫的运行的重要的前提则是，不出现密封缝隙运动，因为一个塑性变形的金属环几乎不再提供可以用于补偿密封缝隙变动的弹性特性。

由GB 979 408得知一种气缸套的密封件，它通过一个环形的金属的成型体构成，成型体在其径向壁厚上看具有一个不变的高度和一个基本上对称的横截面型面。在气缸盖与气缸体之间设置一个气缸盖密封垫，它具有一个径向的自由空间，用于容纳该成型体。受限于密封垫元件的超出气缸盖密封垫的轴向结构高度的向外拱起的外形，成型体在夹紧气缸体和气缸盖时在其容纳成型体的槽内这样弹性变形，以致在最大的变形压力时成型体除其侧向的容纳区域外到容纳的槽的槽底仍具有一个确定的距离。成型体由一种不锈钢制造并且具有至少在槽底侧尖棱的从相应的径向端部边界到所属的轴向侧面的过渡区域。在这种情况下，尖棱的过渡区域在两条密封线的区域内提供足够高的单位面积压力。

由DE 12 53 950已知一种在内燃机中用于密封气缸盖的密封环，包括至少一层金属薄板，其中该层的横截面构成为圆形截面的并且内边缘以及外边缘设置在一个平面内。在这里密封环的轴向高度，在其整个的径向壁厚看，也构成为相同的。此外在该现有技术中建议，密封环包括两个相互镜像彼此设置的密封环，它们沿一个平均直径接触。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种新型的在内燃机中用于密封法兰面的密封元件，它一方面具有足够的弹簧特性，以便补偿相应的密封面的静态的不平度以及需要时动态的密封缝隙变动。此外密封垫元件必须是足够刚性的，以便不这样松弛，以致不足的夹紧力引起密封垫元件的脱落。

该目的这样达到，即成型体由一种金属丝构成并且具有至少一个核心区域和至少一个弯曲区域，金属丝的材料厚度构成为在核心区域内比在相应的弯曲区域内大，并且金属丝在核心区域内设有至少一个连接机构，用于与至少另一构件间接或直接连接。

由诸从属权利要求得知本发明主题的有利的进一步构成。

本发明主题基于一种横梁的技术实施形式。通过在两个板(例如在气缸体与气缸盖之间)之间施加力或夹紧一种这样的几何形状，从上面大致在中心对横梁加载并且力通过两个接触点支承在下面的外侧上。由此一方面可精确确定各接触点而另一方面可调整在各接触点之间的力分配。此外横梁的厚度与系统的刚度和为系统配置的弹簧特性(材料选择)相关。

现在本发明主题在需要时能够使同样的构件(成型件)在连接机构的区域内相互处于有效连接。但在这种情况下，构件的形状也可以不同于成型体。连接机构在与各同样的成型体/各不同的构件直接连接时构成为相互匹配的。因此各成型体/各构件可以按简单的方式相互组合或堆放。

连接机构在密封垫元件的核心区域内亦即在弯曲区域之外的安装或引入，具有下列优点：

-通过堆放两个成型体/构件可以比在一个单个的成型体时得到双倍的弹簧行程；

-通过设置连接机构可以决定性地影响到成型体/构件中的力导入。由此可以调节弹簧力水平并且优化力流；

-通过连接机构可以将这类成型体/构件直接机械地锚定或悬挂到在一个密封垫的功能层或一个支座上的各凹口或凹槽中。

按照本发明的另一构想，为了间接连接各个成型体/构件，也可以使用一些附加的连接元件或插件，借此可以实现密封垫元件的任意的安装高度。

按照本发明的一种构想，通过相互位错的面区域构成相应的连接机构。在简单的实施形式中，可以在核心区域内设置两个按高度不同设置的、相互平行延伸的面区域。

同样可设想在各个成型体/构件/插件上的凹面和凸面构成的面区域，以便导致各相应的部件的间接或直接的连接。

根据该原理按照本发明提供多种技术实施形式，亦即

-金属丝的径向壁厚这样成型，以致它大约与一种香蕉的几何形状一致；

-金属丝具有一种这样的型面，以致各径向端部在形成一个切口情况下分别构成两个上面的和两个下面的弯曲区域；

-金属丝具有一种这样的型面，以致在径向内部或外部产生一个变厚的核心区域并且在横截面的对置的端部上构成两个弯曲区域，它们在初始状态下超出核心区域的轴向高度。

相对现有技术特别的优点是，至少相应的弯曲区域的各自由的径向端部设置成倒圆的形状。借此特别在动态的密封缝变动时避免了在容纳密封垫元件的槽中的埋入。

在金属丝的一种香蕉形几何形状的应用中，型面在中心具有最高的横截面。横截面朝两个端部那边(均匀地或不均匀地)逐渐缩小。这意味着，在加载时，弹性的端部弯曲。在完全压缩时，如它在一个气缸盖密封垫中可以调节那样，香蕉形的型面的下面的弧形的中心这样放在相应的法兰面或槽底上，以致只还该中心的区域支承。通过这样的作用原理建立一种所谓闭锁器功能。此外通过闭锁器区域确定一条附加的密封线。该附加的密封线特别对于较高压力的密封是有利的，因为与具有两条密封线的现有技术不同，可以放弃各尖棱的过渡区域。

这种与传统的横梁一致的作用方式也借用到其他的根据本发明主题的型面上。构成弯曲区域的各外端部弹性地弯曲，直到在完全压缩时再度只有中心的区域支承。

因此利用本发明主题，一个弹簧元件与一个集成的闭锁器元件组合。因此闭锁器高度或安装高度由最大的横截面或如果多个分区域构成为核心区域则由各最大的横截面得出。各弹性区域的实施形式确定一种这样的金属丝型面的弹簧性能(和密封力)。

通过成型金属丝几何形状的针对性的设计，例如通过FEM，外形可以这样选择，以致可以精确地调节在安装点的密封力。借此确保，不仅可以补偿相应的法兰面的静态的不平度而且需要时可以补偿动态的密封缝隙变动。

如果还需要一种附加的微密封，则成型金属丝环可以例如完全地或只局部地涂层。

按照本发明的另一构想，证明有利的可以是，金属丝型面构成不对称的。借此可以积极地影响在气缸体或在气缸盖上的力分配(挠曲)。

按照本发明的密封垫元件不仅可以与一个气缸盖密封垫组合而且可以与一个平面密封垫组合或作为单个的密封元件例如在一个内燃机的排气管路中使用。

根据是否要将其他的密封元件与该金属丝形的介质密封元件组合，可以产生对按照本发明的成型金属丝密封环的不同的要求。示例性可设想下列要求：

-为了微密封附加地(至少局部地)进行涂层，

-接合成型金属丝密封环(也可设想，密封环类似如在一个活塞环中那样在接口不接合，而是这样保留着)，

-构成至少一个为接合方法所需的区或区域。

按照本发明的另一构想，成型的金属丝由一种弹簧钢制造，它有利地具有一个屈服点≥600MPa。

在这里建议一些已知的奥氏体的或马氏体的不锈的或低锈的材料。

同样可设想，金属丝由一种非不锈钢构成。

本领域技术人员按照应用情况选择适合的材料。

一般可以说，作为用于成型金属丝的材料考虑所有本身能提供弹性或弹簧性特性的弹簧钢。

示例性地在这里列举奥氏体铬镍钢、马氏体铬钢、贝氏体或马氏体碳钢或多相钢。在作为在排气管路中的密封垫元件的应用中拟推荐镍基合金。

由适合的材料或可能还有多种适合的材料的组合需要时包括一个硬化过程和/或一个热处理在内以及优选的几何形状(金属丝横截面)确保按照本发明的密封垫元件按照安装位置特别是运行状态的功能。

按照应用情况，例如轿车或载货汽车、柴油机或汽油机，增压的(例如涡轮或压缩机)或没有增压的，可以预计密封垫元件的分别不同匹配的几何形状是最有利的(根据燃烧压力和燃烧温度考虑不同的横截面)。

借助几何形状、相应的核心区域的厚度、相应的弯曲区域的横截面和选择的材料，可以调整成型金属丝密封环应该具有哪样弹簧作用和哪样安装厚度。按照使用情况，如已述那样，可以利用金属丝的相应的核心区域实现一种闭锁器。

通过组合不同的横截面，可以产生复杂的几何形状，这些几何形状关于应用具有所需要的弹簧特性。

一种这样的密封垫元件的另一大的优点在于，投入使用的成型金属丝已具有所需要的最终尺寸并因此还只须实施一个变形过程和需要时一个接合过程和必要时一种热处理，以便制造一个介质密封元件。只在某些情况下才急需进行机械的精加工。

针于同样需要时待采用的接合过程，不仅可设想力锁合的、形锁合的方法而且还可以设想材料锁合的方法。但也可以涉及一种组合，例如由一种形锁合和材料锁合的方法的组合(例如接合部位的一种机械夹紧连同紧接着的粘结)。

重要的意义在于，通过成型金属丝的选择的几何形状与适合的材料相结合，可以很大地影响其负荷/变形曲线。通过在负荷变形图中的一条水平线代表一条理想的负荷变形曲线。这意味着，在开始时变形随着渐升的负荷成正比地增加。从一定的负荷水平起，负荷保持(几乎)恒等，而型面继续变形。仅仅当型面已几乎完全变形时，负荷才上升，在只还微小的变形时，负荷上升很强。在最后的完全压缩时，只能提高负荷，亦即不引起进一步的变形(不过还可设想塑性变形)。具有很大意义的是在这方面按照本发明的成型金属丝的回弹特性。回弹率是针对弹性变形对塑性变形的比例的程度。

在对这样的型面的加载时塑性变形越小，在其卸载时回弹性能越好。在当前的情况下，借助几何形状和材料选择可以取得一种很接近所描述的理想情况的负荷变形性能。由此有可能：

-精确地确定这样的密封垫元件的安装点，

-在回弹性能方面达到一个很高的程度，

-在相同的或更好的密封功能情况下将所需要的拧紧力减至最小，

-将在气缸体上或在其他密封法兰上的变形减至最小，

-补偿较大的密封缝隙运动或变动。

附图说明

本发明主题借助一个实施例示于附图中并且描述如下。其中：

图1两个相同构成的隔开距离的具有相互面对的连接机构的成型体的视图；

图2由按图1的各成型体构成的组装的密封垫元件；

图3按图2具有附加的连接元件/插件的视图；

图4按图3在装配状态的视图；

图5按图1与另一构成的构件有效连接的单个成型体；

图6按图2在装配状态的视图。

具体实施方式

图1示出两个相同构成的密封垫元件(成型体1、1′)，两者具有确定的弹性的(弹簧)特性。成型体1、1′构成为环形的并且由成型的金属丝构成。成型体1、1′的几何形状的重要特征是，相同地一方面具有一个核心区域2、2′，它在使用条件下(按照密封垫元件的设置)可以承担闭锁器功能，而另一方面包括至少一个易弹性弯曲的区域3、4、3′、4′，它在使用条件下确保密封垫元件1、1′的弹性的密封功能。按图1的密封垫元件1、1′在其中心(核心区域2、2′)具有最大的横截面。横截面朝两个端部那边(弯曲区域3、4、3′、4′)(均匀地或不均匀地)逐渐缩小。这意味着，在负荷F情况下相应的弯曲区域3、4、3′、4′弯曲直到在完全压缩时只还有核心区域2、2′支承。

因此借助本发明主题，一个弹簧元件(弯曲区域3、4、3′、4′)与一个闭锁器元件(核心区域2、2′)组合。因此由一个这样的型面的最大横截面或各最大横截面(如果密封垫元件1、1′的多个分区域构成为核心区域)得出闭锁器高度或安装厚度(如果只利用成型体，而没有其他的层)。弯曲区域3、4、3′、4′的实施形式确定一个这样的密封垫元件1、1′的弹簧性能和密封力。

如已述的那样，按照本发明的密封垫元件1、1′不仅可以设置在气缸体与气缸盖之间，而且另外也可以在排气管路中用于密封。受限于不同的运行温度，在这里也使用不同的材料。

如果要将按照本发明的密封垫元件1、1′用在一个气缸盖密封垫的区域内，则材料必须可用于直到大约350℃的温度。

如果将按照本发明的密封垫元件1、1′例如用作排气密封垫，则它必须适用于在＞350℃一直到大约1000℃的温度下使用。

为了得到较大的弹簧行程，现在建议，在每一密封垫元件1、1′的核心区域2、2′内设置连接机构5、5′。这些连接机构5、5′在其最简单的实施形式中通过相互平行的面区域6、7、6′、7′构成，它们按不同的高度水平设置在核心区域2、2′内。通过标记8、8′确定相应的增量。

作为备选方案，也可设想不同成形的面区域，例如凸面的/凹面的，但在这里必须付出较大的物流费用。一个密封垫元件具有例如一个伸出部，而另一密封垫元件设有一相应成形的凹槽。

图2示出在图1中所示的同样构成的各个密封垫元件1、1′。反向成型的连接机构5、5′现在这样直接交错，以致面区域6、7′和7、6′相互齐平。因此通过密封垫元件1、1′的直接连接构成一个单个的密封垫元件D，借此可以获得一个相对一个单个的密封垫元件1、1′增大的弹簧行程。可看出相应的核心区域2、2′以及弯曲区域3、4、3′、4′。

图3示出一种相对于图2的备选方案。使用的是在图1中所示的各个密封垫元件1、1′。不同于图2，在图3中为了间接连接各个密封垫元件1、1′，设置一个单独的连接元件/插件9，它定位在密封垫元件1、1′的连接机构5、5′之间。连接元件/插件9设有一个与密封垫元件1、1′的连接机构5、5′的相应的型面的匹配的对应型面10、11。通过不同高度的连接元件/插件9可以实现组装的密封垫元件D的任意的安装高度。

同样可设想，给每一密封垫元件1、1′的核心区域2、2′配备同样拱形的面区域并且在连接元件/插件9中设置相应成形的对应型面。在这里于是也提供各个密封垫元件1、1′的一种间接连接，其中类似如在图1中所示的物流费用会很小。

图4示出由密封垫元件1、1′按图3构成的密封垫元件D，亦即在装配状态下。

可看出一个仅仅暗示的气缸盖密封垫的两个板形构成的外层12、13以及一个设置在其间的间隔层14。由密封垫元件1、1′组装的密封垫元件D包括连接元件/插件9。示出的是层12、13尚未完全夹紧的状态，其中仅仅弯曲区域3、4、3′、4′贴紧层12、13的对应面12′、13′。在层12、13相互相对继续挤压时，缝隙h、h′减小并且需要时甚至变为零。

图5示出另一安装方案。可看出按图1的密封垫元件1′，它具有一个连接机构5′。在该实例中提供一个仅仅暗示的气缸盖密封垫的一个外层14，在其上支承弯曲区域3′、4′，同时形成缝隙h′。使用另一个外层15，它类似于密封垫元件1′设有一个连接机构15′。在外层14、15之间在这里也具有一个间隔层16。

图6示出另一种相对于图4和5的备选方案。使用的是一个由密封垫元件1、1′组成的按图2的密封垫元件D。经由连接元件5、5′可以将密封垫元件1、1′悬挂在一个未更详细示出的平面密封垫的例如一个间隔层19的例如一个凹槽17、18中。为此目的，密封垫元件1′安放在气缸体20上，其中弯曲区域4′处在凹槽17内。紧接着密封垫元件1以其连接机构5安装到密封垫元件1′的连接机构5′上，从而弯曲区域4嵌入凹槽19中。用标记21标记一个内燃机的气缸盖。

下面示例性复述若干合金。全部数据为重量％。

A：用在一个气缸盖密封垫的区域内的密封垫元件

1.奥氏体钢

2.马氏体钢

3.非不锈钢

B：用在一个排气法兰密封垫的区域内的密封垫元件

按照温度(＞350℃)，可以使用镍基合金或镍基超级合金。在一个这种类型的按照本发明的密封垫元件的应用范围内，在这里基本上涉及镍铬钢，它具有在17％与23％之间的铬含量和在25％与55％之间的镍含量。

元素的全部数据为重量％。

Claims (27)

1.用于在内燃机中密封法兰面的密封垫元件，包括至少一个环形的金属的成型体，其特征在于，成型体(1、1′)由一种金属丝构成并且具有至少一个核心区域(2、2′)和至少一个弯曲区域(3、3′)，金属丝(1、1′)的材料厚度构成为在核心区域(2、2′)内比在相应的弯曲区域(3、3′)内大，并且金属丝(1、1′)在核心区域(2、2′)内设有至少一个连接机构(5、5′、15′)，用于与至少另一构件(1′、1、9、15)间接或直接连接。

2.按照权利要求1所述的密封垫元件，其特征在于，通过相互位错的面区域(6、7、6′、7′)构成相应的连接机构(5、5′、15′)。

3.按照权利要求1或2所述的密封垫元件，其特征在于，通过相互平行延伸的按不同的高度水平设置的面区域(6、7、6′、7′)构成相应的连接机构(5、5′、15′)。

4.按照权利要求1所述的密封垫元件，其特征在于，通过拱形构成的面区域(6、7、6′、7′)构成连接机构(5、5′、15′)。

5.按照权利要求1至4之一所述的密封垫元件，其特征在于，在各个以其核心区域(2、2′)相互面对的成型体(1、1′)或构件(15′)之间插入单独的可预定高度的连接元件/插件(9)。

6.按照权利要求1至5之一所述的密封垫元件，其特征在于，连接元件/插件(9)设有一个与相应的连接机构(5、5′、15′)一致的对应型面(10、11)。

7.按照权利要求1至6之一所述的密封垫元件，其特征在于，金属丝(1、1′)构成为敞开的或封闭的环。

8.按照权利要求1至7之一所述的密封垫元件，其特征在于，金属丝(1、1′)的径向壁厚这样成型，以致它与一种香蕉的几何形状一致。

9.按照权利要求1至8之一所述的密封垫元件，其特征在于，相应的弯曲区域(3、4、3′、4′)在初始状态下超出核心区域(2、2′)的轴向高度。

10.按照权利要求1至9之一所述的密封垫元件，其特征在于，至少相应的弯曲区域(3、4、3′、4′)的各自由的径向端部区域设置成倒圆的形状。

11.按照权利要求1至10之一所述的密封垫元件，其特征在于，各个密封垫元件(1、1′)的相应的弯曲区域(3、4、3′、4′)的材料厚度构成为相同的。

12.按照权利要求1至10之一所述的密封垫元件，其特征在于，相应的弯曲区域(3、4、3′、4′)的材料厚度构成为不同的。

13.按照权利要求1至12之一所述的密封垫元件，其特征在于，组装的成型体(1、1′)是一个气缸盖密封垫的部分。

14.按照权利要求1至13之一所述的密封垫元件，其特征在于，组装的成型体(1、1′)设置在一个气缸盖密封垫的相应的燃烧室通口的区域内。

15.按照权利要求1至14之一所述的密封垫元件，其特征在于，组装的成型体(1、1′)设置在至少一个介质通口例如一个水孔或油孔的区域内。

16.按照权利要求1至15之一所述的密封垫元件，其特征在于，组装的成型体(1、1′)是一个法兰密封垫，特别是一个排气法兰密封垫的部分。

17.按照权利要求1至16之一所述的密封垫元件，其特征在于，组装的成型体(1、1′)作为在燃烧用空气的供给区域内和/或在燃烧气体的排出区域内的单个密封元件。

18.按照权利要求1至17之一所述的密封垫元件，其特征在于，组装的成型体(1、1′)至少局部地与气缸盖密封垫或排气法兰密封垫的部分连接。

19.按照权利要求1至18之一所述的密封垫元件，其特征在于，组装的成型体(1、1′)径向可移动地设置在相应的开口上。

20.按照权利要求1至19之一所述的密封垫元件，金属丝(1、1′)由弹簧钢构成。

21.按照权利要求1至20之一所述的密封垫元件，其特征在于，金属丝(1、1′)根据使用具有一个屈服点≥600MPa。

22.按照权利要求1至21之一所述的密封垫元件，其特征在于，金属丝(1、1′)由一种奥氏体的不锈的或低锈的材料构成。

23.按照权利要求1至22之一所述的密封垫元件，其特征在于，金属丝(1、1′)由一种马氏体的不锈的或低锈的材料构成。

24.按照权利要求1至22之一所述的密封垫元件，其特征在于，金属丝(1、1′)由一种非不锈钢构成。

25.按照权利要求1至22之一所述的密封垫元件，其特征在于，金属丝(1、1′)由一种镍基合金构成。

26.按照权利要求1至22之一所述的密封垫元件，其特征在于，金属丝(1、1′)由一种镍基超级合金构成。

27.按照权利要求1至26之一所述的密封垫元件，其特征在于，弯曲区域(3、4、3′、4′)的密封线的确定功能的区域至少局部地涂层。

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