CN102510944A

CN102510944A - 喷射器密封组件及相对于喷射器密封冷却剂通道的方法

Info

Publication number: CN102510944A
Application number: CN2010800423701A
Authority: CN
Inventors: 肯特·H·克拉克; 格伦·T·黑格尔; 内森·E·库隆布; 马修·沃克; 约翰·M·尼瓦尔; 杰弗里·赫德; 安德鲁·J·基南
Original assignee: Cummins Intellectual Property Inc
Current assignee: Cummins Intellectual Property Inc
Priority date: 2009-09-23
Filing date: 2010-09-23
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2030-09-23
Also published as: US20110067653A1; US8230838B2; DE112010003755T5; WO2011038091A3; DE112010003755B4; CN102510944B; WO2011038091A2

Abstract

提供了一种喷射器密封组件及相对于喷射器密封冷却剂通道的方法。所述密封组件包括：密封套筒，所述密封套筒的大小和尺寸形成为滑动配合到喷射器安装孔中；以及保持环，所述保持环的大小和尺寸形成为轴向地插入到所述套筒中。所述环接触所述套筒并施加一径向力，所述径向力足以形成干涉配合，并使所述套筒的界面部分径向向外地移动或屈服到密封抵接形成喷射器安装孔的壁，以形成稳固的且可靠的环形流体密封。

Description

喷射器密封组件及相对于喷射器密封冷却剂通道的方法

技术领域

本发明涉及冷却剂通道相对于燃料喷射器的密封。

背景技术

具有燃料喷射器的内燃机可能需要单独的喷射器套筒插入件以使冷却剂与燃料喷射器分离。用于喷射器套筒插入件的许多设计存在有不同程度的对冷却剂、燃料、以及燃烧气体、泄漏的抵抗性，特别地是在最靠近燃烧事件(即燃烧室)的端部。局部高温使得弹性密封是一个挑战。此外，高机械和热负载循环可在套筒/头密封界面处形成高应力。各种传统套筒和汽缸头设计在汽缸头方面具有各种复杂事项以满足长期汽缸头耐用性要求，并且这些复杂事项往往涉及要求紧密容限和工艺控制的昂贵细节。

发明内容

与要求保护的发明相一致的实施方式包括用于插入到形成在发动机的一部分中的安装孔中的喷射器密封组件，所述喷射器密封组件包括密封套筒，所述密封套筒包括大小和尺寸形成为可邻近孔密封表面定位在安装孔中的外表面。密封套筒还包括内表面和环形界面部分。内表面在界面部分处具有一内径大小。密封组件还包括保持环，所述保持环的大小和尺寸形成为可邻近环形界面部分定位在套筒中。保持环具有外环形表面，所述外环形表面的外径大小大于内表面在密封套筒的界面部分处的内径大小，以抵靠界面部分施加径向向外密封力，从而在密封套筒与孔密封表面之间形成流体密封。

密封套筒的外表面的大小和尺寸可形成为在没有径向向外密封力的情况下没有形成抵靠孔密封表面的流体密封。密封套筒可由第一材料形成，并且保持环可由不同于第一材料的第二材料形成。第一材料是可抗腐蚀的。第二材料可具有至少与形成发动机的此部分的材料相当的热膨胀特性。密封套筒在界面部分处的外表面可没有一个或多个凹槽。密封套筒可具有形成在外表面中且以距离界面部分的一间隔轴向距离定位的环形凹槽。界面部分的径向宽度可大于密封套筒的邻近界面部分的一部分的径向宽度。

与要求保护的发明相一致的实施方式还包括相对于喷射器密封冷却剂通道的方法，本方法包括：提供喷射器安装孔；提供与喷射器安装孔相连通的冷却剂通道；将密封套筒定位在安装孔中；将保持环定位在安装孔中并定位在套筒内；以及对保持环施加一轴向力，以致使保持环抵靠密封套筒施加一径向力，从而致使密封套筒密封地抵接安装孔中的密封表面，以在密封套筒与密封表面之间形成流体密封，从而相对于安装孔密封冷却剂通道的一部分。本方法还可包括在使保持环保持在密封套筒中的同时，将燃料喷射器插入到安装孔和密封套筒中。密封套筒可包括界面部分，所述界面部分具有密封地抵接密封表面的外表面。密封套筒在安装孔中的定位可能没有在界面部分的外表面与密封表面之间形成流体密封。

与要求保护的发明相一致的实施方式还包括发动机，本发动机包括：喷射器安装孔，所述喷射器安装孔包括密封表面；密封套筒，所述密封套筒定位在喷射安装孔中；保持环，所述保持环安装在密封套筒中且大小形成为抵靠密封套筒施加一径向向外密封力，以在密封套筒与密封表面之间形成一流体密封；以及喷射器，所述喷射器邻近保持环安装在安装孔中。密封套筒可包括具有一内径大小的内套筒表面。保持环可具有外环形表面，所述外环形表面的外径大小大于密封套筒的内套筒表面的内径大小，以形成干涉配合(过盈配合，interference fit)。发动机还可包括：冷却剂通道，所述冷却剂通道与安装孔连通；以及环形密封件，所述环形密封件定位在密封套筒与密封表面之间。密封套筒可包括与保持环接触的界面部分。冷却剂通道可在界面部分与环形密封件之间沿着喷射器轴向地定位。密封套筒可包括与保持环接触的界面部分。界面部分的径向宽度可大于密封套筒的邻近界面部分的一部分的径向宽度。发动机还可包括与安装孔相连通的冷却剂通道。流体密封可相对于安装孔流体地密封冷却剂通道的一部分。

附图说明

图1是密封组件的保持环的示例性实施方式的透视图；

图2是密封组件的密封套筒的示例性实施方式的透视图；

图3a是在发动机安装孔中插入就位的密封套筒的横截面图；

图3b是在安装孔中就位的密封套筒以及移动就位的保持环的横截面图；

图3c是在安装孔中安装就位的密封组件的横截面图；

图3d是安装就位的密封组件和安装在安装孔中的喷射器及邻近保持环的密封套筒的横截面图；以及

图4是如图3d所示地安装的密封组件的一部分的放大横截面图。

具体实施方式

在图3a-图3d中总体上以10表示的密封组件的示例性实施方式包括膨胀环或保持环12以及用于定位在形成在内燃机的一部分(即汽缸头18)中的燃料喷射器安装孔16中的喷射器套筒或密封套筒14。汽缸头18包括冷却剂通道32，在插入密封组件10之前，所述冷却剂通道与安装孔16相连通或者流体地连接至所述安装孔。通过插入密封组件10，冷却剂通道32简单地、容易地且可靠地相对于安装孔流体地密封以使冷却剂与喷射器隔离。密封组件10以高到足以使密封套筒14屈服(yield)到密封抵接发动机形成喷射器安装孔16的相对表面的接触压力提供金属与金属燃烧平台(deck)侧密封，并且然后在不需要增加喷射器安装或固定系统的情况下保持该接触压力。也就是说，用于将燃料喷射器19固定在安装孔16中的喷射器夹持或固定载荷不取决于向密封套筒14施加密封力。

参照图1，保持环12按一定大小、尺寸形成，并且由合适的材料形成，从而仅通过将环按压就位，便在密封套筒14与安装孔16之间形成高密封界面压力。保持环12的形状是具有中空中心的圆形，并且包括用于接触密封套筒14的外环形表面20。在图1的示例性实施方式中，外环形表面20总体上是没有凹槽的连续弯曲表面。在其它实施方式中，外环形表面20可具有凹槽或凸起，只要最外层环形表面充分地围绕套筒的内圆周接触密封套筒14，以向套筒施加充足的径向压力或径向力，从而在密封套筒14与围绕套筒14的整个圆周的汽缸头18之间形成完全液体密封。保持环12还包括允许在可能的修理事件过程中移除环12的零件。移除零件优选地是形成在环12的内表面上的环形凹槽21，但是可使用两个或更多个隔开的凹部，以通过工具抓握。

参照图2，密封套筒14按一定大小、尺寸形成，并且由适当的材料形成，以在形成在汽缸头18中的喷射器安装孔16中滑动配合就位。密封套筒14的形状总体上是圆柱形的或管状的，并且包括内端部22、形成在内端部处22的界面部分24、外端部26、以及形成在外端部26处的用于接收密封环30(图3a)的环形凹槽28。在其它实施方式中，可省去或用一系列燕槽(swallow groove)代替环形凹槽28和密封环30，以增强套筒外表面的塑性。无论是否存在凹槽和密封环，外端部26都可通过使用传统轧制装置(rolling device)将外端部26径向向外地塑性地轧制到形成孔的汽缸头壁中而密封。密封套筒14的大小形成为沿着其长度具有适当的直径，以与形成孔16的发动机的一部分(即汽缸头18)形成紧密滑动配合。在该示例性实施方式中，套筒14的下部具有比上部小的直径。在其他实施方式中，套筒14可以是简单的汽缸。如图3a和图4最佳所示，界面部分24具有比密封套筒14的壁的邻近部分大的径向宽度或壁厚W。界面部分24包括径向大小(extent)小于保持环12的外环形表面20的径向大小的内表面25，或者换句话说，外环形表面20的径向大小大于内表面25的内径向大小，以在组装时形成干涉配合。在该示例性实施方式中，环12的外径大于套筒14的界面部分24的内径，使得保持环12在插入过程中邻接套筒14并对界面部分24施加径向向外力，以致使界面部分24略微径向向外地弯曲或屈服到密封抵接汽缸头18。界面部分24的内表面25可形成在内部台肩(1and)或凸起40上。在该示例性实施方式中，台肩40围绕套筒14的内圆周连续地延伸。然而，在其它实施方式中，台肩40可仅围绕圆周的一部分延伸，例如，台肩40可以是多个隔开的凸起，只要密封压力是连续的且圆周地是大致均匀的。

参照图3a-图3d和图4，将密封套筒14插入到安装孔16中直到内端部22抵接环形孔台肩34，所述环形孔台肩在安装孔16内形成在汽缸头18上并横切于安装孔16的纵向轴线延伸。汽缸头18还包括沿着安装孔16的纵向轴线延伸且在该示例性实施方式中平行于纵向轴线延伸的孔密封表面36。界面部分24包括外环形表面38，当在插入保持环12之前将密封套筒14插入到孔16中且处于图3a所示的位置中时，所述外环形表面以与孔密封表面36的紧密滑动关系而定位，而没有形成完全流体密封。如图3b所示，然后将保持环12插入到安装孔16中并插入到套筒14中。通过例如插入工具(未示出)将环12按压或推动至安装孔16的底部且处于抵靠孔台肩34的固定位置中。环12上的轴向向下的按压动作或向下力(如图3c中的箭头A所示)使得环12在密封套筒14上施加径向向外力或接触压力，以使套筒14屈服且略微向外移动。界面部分24不仅略微移动以填塞任何存在的容限间隙而且还变形(crush)或屈服。图4以虚线示出了在通过环12膨胀/屈服之前的内表面24(台肩40)。因此，界面部分24的外环形表面38密封地接触或邻接孔密封表面36，以围绕整个安装孔16形成连续环形界面密封。外表面38可包括表面形成物，诸如非常小的凹槽，以增进套筒的塑性而与孔密封表面36密封接触。除干涉配合(即套筒的内表面和环的外表面的相对直径)以外，密封套筒14和保持环12在密封区或密封界面处的相对材料硬度，决定了套筒14的屈服。套筒14的外表面38与孔密封表面36之间的密封处的界面压力通过环12的外表面20与套筒14的内表面25之间的干涉量或干涉度以及套筒14的外表面38与孔密封表面36之间的初始“滑动配合”间隙或距离来控制。干涉(INT)可如下所述：

INT＝ID-OD-(2×W)

在此：ID＝孔密封表面36处的安装孔16内径；OD＝保持环12外径；W＝密封套筒在密封区处的径向壁厚。

最后，如图3d所示，使用任何传统安装系统将燃料喷射器19安装在安装孔16中。喷射器19的安装形成通常填充有处于低压下的燃料的环形室42。密封组件10通过干涉型环形下密封和由密封环30提供的上密封成功地且有效地使室42与冷却剂通道32流体地分离。密封组件10不依赖于来自喷射器的任何安装夹持载荷、或者通过喷射器作用在环12上的任何力来开始环12的密封作用，并且不需要来自喷射器或任何其它部件的力来保持套筒14上的压力。因为喷射器和保持环从不彼此接触，即彼此保持一间隔距离，所以密封组件10不要求存在喷射器以保持冷却剂密封。

应注意的是，在套筒14的壁的插入和膨胀之后，使保持环12在孔16中保持在原位，以保持套筒14上的接触压力，从而在整个发动机工作期间使套筒14保持抵靠汽缸头18的孔密封表面36的密封压力。密封组件10和密封方法提供了将不同材料用于套筒14和环12的能力，以适应针对每个部件的功能的材料要求。保持环12不起密封元件的作用。而是，保持环12首先使可变形套筒材料机械地膨胀，并且然后在发动机工作期间保持在原位，以在发动机工作期间所经历的热膨胀和收缩过程中保持接触压力。保持环材料可具有与基部汽缸头材料相同的热膨胀特性，以在发动机工作过程中减小泄漏的可能性。因此，密封套筒14和保持环12可由不同的材料形成，以在循环热事件过程中平衡对密封套筒腐蚀与密封和接触压力极限的要求。密封套筒14可由抗腐蚀的材料制成，诸如不锈钢，而保持环12可由具有热生长或热膨胀特性的、与基部汽缸头材料相当、大致相同、或相同的材料制成，诸如低碳钢。

因此，密封组件10及相关的方法通过允许材料特性控制密封界面压力并通过将安装事件减少至简单的机械按压而避免了昂贵的组成零件、昂贵的容限以及昂贵的工艺控制。密封组件10及方法提供了一种方便的、简单的且节省成本的实现稳固的、可靠的、以及完全的环形流体密封的方式，以确保防止冷却剂到达喷射器安装孔中的燃料。

尽管已根据本发明示出并描述了多个实施方式，但应理解的是，本发明并不限于此。本发明可由本领域技术人员改变、修改并进一步应用。因此，本发明不限于前面示出和描述的细节，而是还包括所有这种改变和修改。

Claims

1.一种用于插入到形成在发动机的一部分中的安装孔中的喷射器密封组件，所述喷射器密封组件包括：

密封套筒，所述密封套筒包括大小和尺寸形成为能邻近孔密封表面定位在所述安装孔中的外表面，所述密封套筒还包括内表面和环形界面部分，所述内表面在所述界面部分处具有一内径大小；以及

保持环，所述保持环的大小和尺寸形成为能邻近所述环形界面部分定位在所述套筒内，所述保持环具有外环形表面，所述外环形表面的外径大小大于所述内表面在所述密封套筒的所述界面部分处的所述内径大小，以抵靠所述界面部分施加一径向向外密封力，从而在所述密封套筒与所述孔密封表面之间形成流体密封。

2.根据权利要求1所述的喷射器密封组件，其中，所述密封套筒的所述外表面的大小和尺寸形成为在没有所述径向向外密封力的情况下没有抵靠所述孔密封表面形成流体密封。

3.根据权利要求1所述的喷射器密封组件，其中，所述密封套筒由第一材料形成，并且所述保持环由不同于所述第一材料的第二材料形成，所述第一材料是抗腐蚀的。

4.根据权利要求2所述的喷射器密封组件，其中，所述第二材料具有至少与形成所述发动机的上述部分的材料相当的热膨胀特性。

5.根据权利要求1所述的喷射器密封组件，其中，所述密封套筒在所述界面部分处的所述外表面没有一个或多个凹槽。

6.根据权利要求1所述的喷射器密封组件，其中，所述密封套筒包括形成在所述外表面中且以距离所述界面部分一间隔开的轴向距离而定位的环形凹槽。

7.根据权利要求1所述的喷射器密封组件，其中，所述界面部分的径向宽度大于所述密封套筒的邻近所述界面部分的一部分的径向宽度。

8.一种相对于喷射器密封冷却剂通道的方法，所述方法包括：

提供喷射器安装孔；

提供与所述喷射器安装孔连通的冷却剂通道；

将密封套筒定位在所述安装孔中；

将保持环定位在所述安装孔中并定位在所述套筒内；以及

对所述保持环施加一轴向力，以致使所述保持环抵靠所述密封套筒施加一径向力，从而致使所述密封套筒密封地邻接所述安装孔中的密封表面，以在所述密封套筒与所述密封表面之间形成流体密封，从而相对于所述安装孔密封所述冷却剂通道的一部分。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，由第一材料形成所述密封套筒，并且由不同于所述第一材料的第二材料形成所述保持环，所述第一材料是抗腐蚀的。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二材料具有至少与形成所述壁的材料相当的热膨胀特性。

11.根据权利要求8所述的方法，还包括在使所述保持环保持在所述密封套筒中的同时，将燃料喷射器插入到所述安装孔和所述密封套筒中。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述密封套筒包括界面部分，所述界面部分具有密封地邻接所述密封表面的外表面，所述密封套筒在所述安装孔中的所述定位没有在所述界面部分的所述外表面与所述密封表面之间形成流体密封。

13.一种发动机，所述发动机包括：

喷射器安装孔，所述喷射器安装孔包括密封表面；

密封套筒，所述密封套筒定位在所述喷射器安装孔中；

保持环，所述保持环安装在所述密封套筒中，所述保持环的大小形成为抵靠所述密封套筒施加一径向向外密封力，以在所述密封套筒与所述密封表面之间形成一流体密封；以及

喷射器，所述喷射器邻近所述保持环安装在所述安装孔中。

14.根据权利要求13所述的发动机，其中，所述密封套筒包括具有一内径大小的内套筒表面，所述保持环具有外环形表面，所述外环形表面的外径大小大于所述密封套筒的所述内套筒表面的所述内径大小，以形成干涉配合。

15.根据权利要求13所述的发动机，其中，所述密封套筒由第一材料形成，并且所述保持环由不同于所述第一材料的第二材料形成，所述第一材料是抗腐蚀的。

16.根据权利要求15所述的发动机，其中，所述第二材料具有至少与形成所述发动机的上述部分的材料相当的热膨胀特性。

17.根据权利要求13所述的发动机，其中，所述发动机还包括：冷却剂通道，所述冷却剂通道与所述安装孔连通；以及环形密封件，所述环形密封件定位在所述密封套筒与所述密封表面之间，所述密封套筒包括与所述保持环接触的界面部分，所述冷却剂通道在所述界面部分与所述环形密封件之间沿着所述喷射器轴向地定位。

18.根据权利要求13所述的发动机，其中，所述密封套筒包括与所述保持环接触的界面部分，所述界面部分的径向宽度大于所述密封套筒的邻近所述界面部分的一部分的径向宽度。

19.根据权利要求13所述的发动机，其中，所述发动机还包括与所述安装孔连通的冷却剂通道，所述流体密封相对于所述安装孔流体地密封所述冷却剂通道的一部分。