CN102753805A - 复合密封机构、气缸衬套和发动机组装方法 - Google Patents

Abstract

用于内燃发动机（10）的气缸衬套和复合密封组件（110）包括具有衬套本体（80）的气缸衬套（16），衬套本体（80）具有外表面（84）和限定纵向孔口（88）的内表面（86）。气缸衬套（16）还包括第一轴向端（92）和第二轴向端（94），第二轴向端（94）包括密封面（100）和从密封面（100）沿轴向延伸的保护性端部凸起（102）。用于实现发动机缸盖（12）与发动机机壳（14）之间的密封的复合密封机构（20）包括一体式垫圈本体（22），一体式垫圈本体（22）具有外径向区域（34）和内径向区域（38），内径向区域（38）包括具有发动机缸盖密封面（42）和气缸衬套密封面（43）的燃烧密封件（40），凹部（44）形成在下表面（32）中并位于气缸衬套密封面（43）的径向外侧并构造成在其中接纳气缸衬套（16）的保护性端部凸起（102）。凹部（44）可包括位于形成在一体式垫圈本体（22）中的气缸开口（28）的中心轴线的周向并且定位在气缸衬套密封面（43）附近的连续环状凹部（44）。保护性端部凸起（102）可包括与纵向孔口（88）共轴地布置并定位在气缸衬套（16）的内表面（86）附近的连续环状凸起（102）。

Description

复合密封机构、气缸衬套和发动机组装方法

技术领域

本发明总体上涉及用于内燃发动机的燃烧密封策略，且更具体地涉及借助于成形为容置气缸衬套的一保护性端部凸起的一体式垫圈本体来形成燃烧密封件。

背景技术

在内燃发动机气缸中结合使用各种各样的密封策略。本领域中长期以来已知使用其中形成有各种流体传输孔的气缸盖垫圈来密封发动机机壳与发动机缸盖之间的流体传输通路。许多常规发动机还采用定位在发动机缸盖与发动机机壳之间的单独的燃烧密封件，该燃烧密封件在发动机缸盖与发动机机壳或气缸衬套之间形成密封以容纳燃烧气体。气缸盖垫圈可以作为与燃烧密封件分开的部件形成，并在定位成在用于发动机中时包围燃烧密封件。气缸盖垫圈和燃烧密封件两者均可能承受比较高的密封载荷，以使构件能够耐受比较高的燃烧压力和温度而不变形或失效。在压缩点燃式发动机的高压环境中，此类构件的可靠设计和密封可能是特别理想的。虽然用于气缸盖垫圈和燃烧密封件的设计和实施的某些策略已取得成功多年，但它们往往具有某些缺陷。

授予Hoopes的美国专利No.4,474,147公开了一种用于发动机的示例性密封机构。该密封件包括据称能够确保对发动机缸体或气缸套进行有效密封的环。虽然Hoopes在某些环境中可能有效，但其概念不容易适用于具有某些特定构造的发动机。其它获得有效密封的尝试包括使用比较大的密封载荷——所述密封载荷施加至与壁相对较厚的气缸衬套接触的燃烧密封件。

发明内容

一方面，一种用于在内燃发动机的发动机缸盖和发动机机壳之间密封的复合密封机构包括一体式垫圈本体，该一体式垫圈本体包括外周和内周。该内周限定具有中心轴线的气缸开口。该一体式垫圈本体还包括在内周和外周之间沿径向延伸的上表面、定位成与上表面相对的下表面、以及包括多个连通上表面和下表面的开孔的外径向区域。该一体式垫圈本体还包括内径向区域，该内径向区域包括具有发动机缸盖密封面和气缸衬套密封面的燃烧密封件。气缸衬套密封面包括下表面的一部分并定位在内周附近。该一体式垫圈本体还包括位于下表面中的凹部，该凹部位于气缸衬套密封面的径向外侧并构造成在其中接纳气缸衬套的保护性端部凸起。

在另一方面，一种用于内燃发动机的气缸衬套包括具有衬套壁的衬套本体，该衬套壁具有外表面和内表面，该内表面限定具有第一孔径的第一纵向孔口和具有大于第一孔径的第二孔径的第二纵向孔口。第一纵向孔口和第二纵向孔口限定一公共纵向轴线。该衬套本体还包括第一轴向端、第二轴向端以及多个轴向部段，多个轴向部段包括第一轴向部段和第二轴向部段，第一轴向部段包括第一轴向端和第一纵向孔口，所述第二轴向部段包括第二轴向端和第二纵向孔口。第一轴向部段包括第一部段直径，第二轴向部段包括大于第一部段直径的第二部段直径。第二轴向端包括在内表面和外表面之间沿径向延伸的密封面，以及邻接该密封面并从该密封面沿轴向突出的保护性端部凸起。密封面位于内表面附近，并且保护性端部凸起相比于所述内表面更靠近外表面地定位。第一轴向部段包括位于内表面与外表面之间的衬套壁壁厚，该壁厚等于或小于第一孔径的约12%。

在再另一方面，一种用于内燃发动机的气缸衬套和复合密封组件包括具有衬套本体的气缸衬套，该衬套本体具有外表面和内表面，该内表面限定包括纵向轴线的纵向孔口。该气缸衬套还包括第一轴向端和第二轴向端，第二轴向端包括在内表面与外表面之间沿径向延伸的密封面、以及从密封面沿轴向延伸的保护性端部凸起。该组件还包括复合密封机构，该复合密封机构包括一体式垫圈本体，该一体式垫圈本体具有外周和内周，该内周限定包括中心轴线的气缸开口。该一体式垫圈本体还包括在内周与外周之间沿径向延伸的上表面、定位成与上表面相对的下表面、以及包括多个连通所述上表面与下表面的开孔的外径向区域。该一体式垫圈本体还包括内径向区域，该内径向区域包括具有发动机缸盖密封面和气缸衬套密封面的燃烧密封件。气缸衬套密封面包括下表面的一部分并定位在内周附近。该一体式垫圈本体还包括位于下表面中的凹部，该凹部位于气缸衬套密封面的径向外侧并构造成在其中接纳气缸衬套的保护性端部凸起。

在再另一方面，一种组装内燃发动机的方法包括以下步骤：使燃烧密封件的气缸衬套密封面与定位在内燃发动机的发动机机壳内的气缸衬套接触，以及使燃烧密封件的发动机缸盖密封面与内燃发动机的发动机缸盖接触。该方法还包括以下步骤：将气缸衬套的保护性端部凸起接纳在凹部内——所述凹部形成在包括燃烧密封件的一体式垫圈本体的下表面中，以及至少部分地通过将一体式衬套本体夹持在发动机缸盖与发动机机壳之间的步骤来向该一体式垫圈本体施加密封载荷。

附图说明

图1是根据一个实施例的内燃发动机的剖视侧视示意图；

图2是根据一个实施例的复合密封机构的正视图；

图3是根据一个实施例的内燃发动机的一部分的等轴视图；

图4是根据一个实施例的气缸衬套的局部剖视的侧视示意图；

图5是根据一个实施例的复合密封机构和气缸衬套组件的剖视侧视示意图；以及

图6是根据一个实施例的内燃发动机在组装阶段的局部剖视侧视示意图。

具体实施方式

参照图1，示出了根据一个实施例的内燃发动机10。内燃发动机10可包括直喷式压缩点燃柴油发动机。然而，可以设想替代选择，诸如火花点火式发动机，包括天然气发动机、端口喷射发动机等。发动机10可包括发动机缸盖12和发动机机壳14。发动机缸盖12可包括复合发动机缸盖，其中多个不同的发动机缸盖单元与发动机机壳14联接，但在某些实施例中可包括整体的缸盖设计。发动机机壳14可以限定多个气缸19，各气缸19具有一定位在其中的气缸衬套16。发动机10的某些细节如活塞、曲轴、凸轮轴等从图1的图示被省略，然而，这些构件在本领域中是公知的。用于在发动机缸盖12与发动机机壳14之间进行密封的多个复合密封机构20在图1中示出并与各个气缸19逐一关联，其某些细节在文中详细说明。在所示的实施例中，各气缸衬套16可以包括衬套本体80、外表面84、内表面86以及表面84和86位于其上的衬套壁82。内表面86可以限定第一纵向孔口88和第二纵向孔口90。纵向孔口88和90可以限定公共纵向轴线A₁。第一纵向孔口88可以包括第一孔径D₁，且第二纵向孔口90可以包括大于第一孔径D₁的第二孔径D₂。套环18等可以定位在第二纵向孔口90之间并且构造成以公知的方式从与相应气缸19相关联的活塞刮掉积炭等。

转向图2，更详细地示出了复合密封机构20的某些细节。复合密封机构20可以包括一体式垫圈本体22，该垫圈本体22具有外周24和内周26，该内周26限定具有中心轴线A₂的气缸开口28。垫圈本体22还可以包括在内周26与外周24之间沿径向、即正交于轴线A₂的方向延伸的上表面30。垫圈本体22还可以包括与上表面30相对地定位的下表面（图2中不可见），以及一包括多个连通上表面30与下表面的开孔36的外径向区域34。垫圈本体22还可以包括内径向区域38，该内径向区域38包括具有发动机缸盖密封面42和气缸衬套密封面（图2中不可见）的燃烧密封件40。

还参考图3，示出了垫圈本体22的相对于图2所示的视图翻转的视图，并且还示出了部分的发动机缸盖12和一组用于将垫圈本体22夹紧在发动机缸盖12与发动机机壳14之间的螺栓112。发动机机壳14在图3中未示出，而下表面32和气缸衬套密封面43是可见的。图3中还示出了例如通过机加工形成在下表面32中并从气缸衬套密封面43径向向外定位的凹部44。凹部44构造成在其中接纳气缸衬套如气缸衬套16之一的保护性端部凸起，如本文进一步描述的。气缸开口28可以包括圆形形状，并且在一个实施例中，凹部44可以包括绕中心轴线A₂并邻接气缸衬套密封面43的连续环状凹部。在其它实施例中，凹部44可以是不连续的，并且例如可以包括多个形成在下表面32中并构造成接纳气缸衬套的多个保护性端部凸起的凹部。如文中所用，术语“邻接”应该理解为意味着给定的构件或特征定位成紧挨着另一有关构件或特征。相反，术语“邻近”意味着给定类型的构件或特征是与另一有关构件或特征最接近的给定类型的构件或特征。

如上所述，多个开孔36可以定位在外径向区域34内。在一个实施例中，开孔36可以包括一组绕轴线A₂以第一径向图案布置的螺孔46和一组绕轴线A₂以与第一径向图案不同的第二径向图案布置的流体传输开孔48。多个流体传输密封件50也可以位于外径向区域34中并逐一与各个流体传输开孔48关联。因此，当发动机缸盖12与发动机机壳14联接时，在发动机缸盖12与发动机壳体14之间的压缩夹紧载荷下，垫圈本体22可以经由流体传输密封件50流体地密封在发动机缸盖12与发动机机壳14之间延伸的通路。对燃烧密封件40使用类似的密封策略，如文中进一步描述的。

对本领域的技术人员而言易于显而易见的是，垫圈本体22的设计使得其适合于供发动机10中的单个气缸19使用。换言之，不同于诸如构造成提供与多个发动机气缸关联的密封件的某些常规气缸盖垫圈的密封机构，垫圈本体22是多个单独的复合密封机构中的一个——这些单独的复合密封机构均可以与具有多个气缸的发动机中的一个气缸一起使用。为此，垫圈本体22可以具有独特的构造，以用于提供与给定发动机气缸相关联的多个流体密封件中的每个流体密封件。外周24可以包括不一致的外周，其具有第一周边部段52和第二周边部段56，第一周边部段52限定外径向区域34的第一次凸耳54，第二周边部段56限定外径向区域34的第二次凸耳58。外周24还可以包括位于第一周边部段52与第二周边部段56之间并限定外径向区域34的第一主凸耳62的第三周边部段60。外周24还可以包括也位于第一周边部段52与第二周边部段56之间并与第三周边部段60相对的第四周边部段64，该第四周边部段64限定外径向区域34的第二主凸耳66。主凸耳62和66可以大于次凸耳54和58。

第一数量的螺孔46可以位于第一主凸耳62中，而等于第一数量的第二数量的螺孔46可以位于第二主凸耳66中。流体传输开孔48可以位于第一主凸耳62以及第二主凸耳66中。位于相应凸耳62和66中的流体传输开孔48的数量可以不同。在所示的实施例中，五个流体传输开孔48位于第一主凸耳62中，而三个流体传输开孔48位于第二主凸耳66中。螺孔46中的三个可以位于第一主凸耳62中，而螺孔46中的三个可以位于第二主凸耳66中。位于第一主凸耳62中的螺孔46可以限定与气缸开口28共轴地布置的圆的第一圆弧C₁，而位于第二主凸耳66中的螺孔46可以限定同一个圆的第二圆弧C₂。第一圆弧C₁可以包括第一中点M₁，第二圆弧C₂可以包括第二中点M₂，且由第一中点M₁和第二中点M₂限定的线段可以与气缸开口28的中心轴线A₂相交。可以设想其它构造，其中螺孔46绕轴线A₂相对较不对称地布置，然而，设想图中所示和文中所述的相对较为对称（的布置）以提供一种实用的实施策略。

参照图5，示出了用于内燃发动机（如内燃发动机10）的气缸衬套和复合密封组件110的一部分，其更详细地示出了某些构件且与图1中用虚线圆5标出的部分大致对应。同样的标号用于表示与结合文中所述的其它附图使用相似的特征。如上所述，燃烧密封件40可以包括发动机缸盖密封面42和气缸衬套密封面43。气缸衬套密封面43可以包括下表面32的一部分，并且凹部44可以形成在下表面42中并位于气缸衬套密封面43的径向外部。如上所述，凹部44构造成在其中接纳气缸衬套的保护性端部凸起。在图5中，示出了气缸衬套16的保护性端部凸起102被接纳在凹部44中。气缸衬套密封面43可以包括限定第一密封平面P₁的平坦面，且发动机缸盖密封面42也可以包括限定平行于第一密封平面P₁的第二密封平面P₂的平坦密封面。气缸衬套密封面43和发动机缸盖密封面42均可以在相对于中心轴线A₂重叠的径向位置处定位在内周26附近。在一个实施例中，气缸衬套密封面43和发动机缸盖密封面42可以包括相对于中心轴线A₂的相同的径向位置。换言之，气缸衬套密封面43可以垂直于轴线A₂延伸一个径向距离，该径向距离等于发动机缸盖密封面42垂直于轴线A₂延伸的径向距离。在其它实施例中，可以使用不重叠或径向偏置的密封面。

燃烧密封件40可以包括一具有多片位于气缸衬套密封面43与发动机缸盖密封面42之间的材料的多层燃烧密封件。具体地，燃烧密封件40可以具有包括气缸衬套密封面43的第一金属片68、包括发动机缸盖密封面42的第二金属片70、以及夹置在第一金属片68与第二金属片70之间的第三金属片72。在一个实施例中，第一金属片68和第二金属片70可以包括绕第三金属片72折叠的一个金属片的不同部分。第三金属片72可以包括具有平坦受载状态和非平坦卸载状态的金属弹簧片。在图5中，金属弹簧片72被大致示出为它在未向燃烧密封件40施加密封载荷的卸载状态下所呈现的状态。当施加足够大小的密封载荷时，可以预期金属弹簧片72从图5所示的构造变形为更平坦的构造。外径向区域34可以包括与形成燃烧密封件40的材料不同的材料，或者外径向区域44可以包括用于形成片68和70中的一者或两者的材料的延续。在进一步的其它实施例中，燃烧密封件40可以包括一块均匀的材料，表面42和43两者都位于该材料上。

现参照图4，示出了根据一个实施例的气缸衬套16的局部剖视且局部正视的视图。气缸衬套16可以与其它图所示和文中所述的其它气缸衬套相同。如上所述，气缸衬套16可以包括衬套本体80，该衬套本体80具有包括外表面84和内表面86的衬套壁82。衬套本体80还可以包括第一轴向端92、第二轴向端94和多个轴向部段——所述多个轴向部段包括第一轴向部段96，该第一轴向部段96包括第一轴向端92和第一纵向孔口88。该多个轴向部段还可以包括第二轴向部段98，该第二轴向部段98包括第二轴向端94和第二纵向孔口90。第二纵向孔口90可以包括构造成接纳如图1和图5所示的套环18的套环孔口。第一轴向部段96可以包括第一部段直径D₃，而第二轴向部段98可以包括大于第一部段直径D₃的第二部段直径D₄。直径D₃和直径D₄包括在相应轴向部段96和98的最宽点之间沿正交于轴线A₂的方向延伸并与轴线A₂相交的尺寸。

第二轴向端94还可以包括在内表面86与外表面84之间沿径向延伸并构造成与燃烧密封件40的气缸衬套密封面43流体地密封的密封面100。保护性端部凸起102也可以位于第二轴向端94上并邻接密封面100。保护性端部凸起102设置成至少部分地保护密封面100免于在相关内燃发动机（如发动机10）的操作和/或组装期间损坏。保护性端部凸起102可以从密封面100沿轴向突出，并且在某些实施例中可以包括小于约1.0毫米的均匀轴向高度尺寸（其平行于轴线A₁）。端部凸起102的轴向高度也可以小于约0.75毫米。如文中所用，“约”1.0毫米可以理解为意味着介于0.95毫米与1.04毫米之间，而“约”0.75毫米可以理解为意味着介于0.70毫米与0.79毫米之间。保护性端部凸起102可以位于外表面84附近并定位成相比于内表面86更接近外表面84。在第二孔口90与衬套座109之间的区域内，第一轴向部段96可以包括衬套壁82的壁厚t，该壁厚t等于第一孔径D₁的约12%或更小。壁厚t可以理解为内表面86与外表面84之间的径向厚度，并且在某些实施例中也可以等于第一孔径D₁的约8%或更小。如文中所用，“约”8%可以理解为意味着介于7.5%与8.4%之间，而“约”12%可以理解为意味着介于11.5%与12.4%之间。类似的规则可以理解为适用于文中所用的其它数量或百分比。

从密封面100到衬套座109的距离限定衬套凸缘高度F，而从第一轴向端92到第二轴向端94的距离限定衬套长度L。在一个实施例中，衬套凸缘高度F可以等于第一孔径D1的约60%或以下，而衬套凸缘高度F可进一步等于衬套长度L的约30%或以上。在又一个实施例中，第一孔径D₁可以等于约150毫米或以下，壁厚t可以等于约12毫米或以下，衬套凸缘高度F可以等于约85毫米或以下，且衬套长度L可以等于约300毫米或以下。

返回图5，示出了衬套16另外的特征。如上所述，凹部44可以包括与气缸开口28共轴的连续环状凹部。为了能够将端部凸起102接纳在凹部44中，端部凸起102可以包括具有适当尺寸的连续环状凸起，从而使得端部凸起102可以容易地配合在凹部44内。当密封载荷施加至燃烧密封件40时，可能希望避免加载端部凸起102。为此，端部凸起102的轴向高度可以小于凹部44的对应轴向深度，从而使得当垫圈本体22与发动机10的其它构件组装在一起并被夹持在发动机缸盖12与气缸衬套16之间时端部凸起102不实际接触垫圈本体22。类似地，至少在某些实施例中，端部凸起102在正交于轴线A₁的方向上的径向宽度可以小于凹部44的对应径向宽度。端部凸起102的高度/长度和宽度可以小于气缸衬套16的相应高度/长度和宽度。端部凸起102还可以邻接气缸衬套16的外表面84并可以与第一纵向孔口88和第二纵向孔口90共轴。图5中还示出了由密封面100限定、与图5中的平面P₁共面并因此用相同的参考标号P₁表示的密封平面。端部凸起102还可以包括过渡到并邻接气缸衬套16外表面84的第一机加工边缘表面104。端部凸起102再还可以包括过渡到并邻接密封面100的第二机加工边缘表面106，以及从第一边缘表面104延伸到第二边缘表面106并限定平行于平面P₁的另一平面P₃的机加工平坦轴向端面108。图5还示出了气缸衬套16和垫圈本体22的互补截面轮廓。具体地，在包括气缸衬套16的纵向轴线A₁的剖面中，气缸衬套16的第二轴向端94可以包括第一截面轮廓。垫圈本体22的下表面32可以在包括气缸开口28中心轴线A₂的剖面内包括形状与第一截面轮廓互补的第二截面轮廓。虽然可以设想在实际的实施策略中复合密封机构20可以与气缸衬套16一起作为组件110使用，但构件并未严格限制于一起使用，并且在其它实施例中，复合密封机构20可以与不同的气缸衬套一起使用，同样地，气缸衬套16可与不同的密封机构一起使用。

工业实用性

总体上参照附图，且特别地参考图1和图6，在发动机的使用寿命过程中，或者在准备返修的改造期间，可能希望维修和/或更换某些构件。在这些构件当中可以包括一个或多个气缸衬套16以及一个或多个复合密封机构20。还可以设想，气缸衬套16和复合密封机构20可以用于制造新发动机，或者改装到已有的内燃发动机中。如上所述，每个复合密封机构20可以用于形成与单个气缸19/气缸衬套16相关的流体密封。然而，本发明并未因此受限，并且可以设想这样的实施例：在单个垫圈本体中具有多个燃烧密封件和数量较大的流体传输密封件以提供用于多个气缸的所需流体密封功能。类似地，虽然可以使用如文中所述的多单元发动机缸盖构造，但在其它实施例中，可以使用单个发动机缸盖单元。因此，以下描述应该理解为类似地指新发动机的组装、已有的发动机与新的或重新制造的构件的再组装、具有单独或复合的缸盖单元的发动机和具有个别的或复合的密封机构的发动机。

发动机10的拆卸和维修一般可以采用常规方式进行。发动机缸盖12的各个个别的缸盖单元可以与机体14分离并移除已有的燃烧密封件和气缸盖垫圈。如果需要的话，可以移除并更换已有的气缸衬套。可以想到，气缸衬套16可以包括改造的气缸衬套。因此，移除已有的气缸衬套可以包括移除构造与气缸衬套16不同的气缸衬套（例如具有定位在内表面附近的保护性端部凸起而不是定位在外表面附近的保护性端部凸起的气缸衬套）。类似地，复合密封机构20可以包括改造的密封机构。因此，移除已有的密封机构可以包括移除构造与复合密封机构20不同的密封机构。在较早的系统中，为了（获得）气缸盖垫圈-燃烧密封件功能，普遍使用单独的构件。

不论发动机10是新的还是在改造、维修等后返修，组装内燃发动机10都可以包括在气缸衬套16定位在发动机机壳14内时使燃烧密封件40的气缸衬套密封面43与气缸衬套16的密封面100接触。组装发动机10还可以包括使燃烧密封件40的发动机缸盖密封面42与发动机10的发动机缸盖12接触。在使气缸衬套密封面43与气缸衬套16接触期间，保护性端部凸起102可以被接纳在凹部44内。一旦发动机缸盖12、复合密封机构20和气缸衬套16适当定位，就可以通过将垫圈本体22夹持在发动机机壳14与发动机缸盖12之间来向垫圈本体22施加密封载荷，如文中进一步描述的。

图6示出了在使气缸衬套密封面43与气缸衬套16的密封面100接触前的组装阶段的发动机10。本领域的技术人员将熟悉在组装各种发动机构件时希望的相对精度。例如，通常希望使燃烧密封件40与气缸衬套16共轴地定位。还可能希望使燃烧密封件40与发动机缸盖12的各部分共轴地定位。为此，可以将多个导销113压入发动机机壳14中。然后可以经由导销113与垫圈本体22中的导销孔口121的交互作用来将垫圈本体22引导到气缸衬套密封面43接触气缸衬套16的密封面100的位置。在轴线A₂与轴线A₁重叠的位置处，垫圈本体22可以被同时地对准。

然后可以经由导销113与发动机缸盖12中的导销孔口123之间的交互作用来将发动机缸盖12引导到与垫圈本体22接触，从而使得发动机缸盖密封面42接触发动机缸盖12的下表面215。在将垫圈本体22引导到与气缸衬套16接触的期间，保护性端部凸起102可以定位在凹部44内。然后，螺栓112可以穿过发动机缸盖12、垫圈本体22并进入螺孔114，并且按常规方式紧固以将垫圈本体22、发动机缸盖12和发动机机壳14夹持在一起，并施加所需的密封载荷。这种经由导销112引导垫圈本体22的总体策略不同于适合于并针对两件式燃烧密封件和气缸盖垫圈系统的较早技术，其中安置在气缸衬套中的套环在发动机机壳上凸出并引导燃烧密封件。

在某些情形中，可能希望对内径向区域38施加大于外径向区域34的密封载荷。相应气缸或气缸衬套16中的峰值压力可能需要比流体传输密封件50所需要的更紧密、更牢固可靠的燃烧密封件。因此，施加密封载荷可以包括经由在发动机缸盖12与机体14之间夹持垫圈本体22来向内径向区域38施加比外径向区域34相对较大的载荷。例如，经由将发动机缸盖12加工成使得表面215在表面215区域216（其接触内径向区域38）内比表面215区域218（其接触外径向区域34）稍微更靠近发动机机壳14，可以实现内径向区域38与外径向区域34之间的载荷的不一致的分配。换言之，可以将表面215加工得稍微不平坦以便向区域34和38施加完全不同的密封载荷。或者，可以将垫圈本体22的轴向厚度定制成使得垫圈本体22在内径向区域38中比在外径向区域34中相对较厚，或者可以将发动机机壳14的上表面118加工成不平坦的。再者，螺孔46、114和214可以如此地定位：使得密封载荷相对更接近内径向区域38地施加或者在内径向区域38内施加，从而向内径向区域38传递比外径向区域34相对较大比例的载荷。

在一些发动机中，经由拧紧发动机缸盖与发动机机壳来向燃烧密封件施加相对高的密封载荷往往会使气缸衬套变形。具体地，气缸衬套可以在为了密封燃烧密封件而施加的拧紧载荷的作用下在正交于其中心轴线的方向上向外展开/张开。这种变形在气缸衬套和相关构件承受相对高的燃烧温度和压力的情况下是尤其有问题的。虽然气缸衬套的变形通常将过小而无法肉眼察觉，但这种变形可能引起与发动机活塞有关的密封问题，尤其是当活塞在气缸衬套中接近上死点位置时。具体地，变形可以导致套环与活塞之间的间隙变大。在一些情形中，衬套变形也可以导致套环的外表面不再抵靠衬套的内表面上密封。作为这些现象的结果，燃烧气体会经由本领域称为“窜气”的现象而逸出发动机气缸。某些较早策略试图通过使气缸衬套形成有相对厚的衬套壁来限制气缸衬套变形。虽然已证实这些策略相对有效，但在其它情形中可能不希望采用相对厚的气缸衬套。例如，某些发动机可能在作为柴油发动机使用后被改造以用作天然气发动机。用于天然气发动机中的发动机气缸通常具有与某些大小相当的柴油发动机不同的构造或尺寸。因此，使用相对较薄的气缸衬套与厚壁衬套相比可以为发动机气缸之后的重新镗孔保留相对较大量的发动机机壳材料，以使其在后续的使用寿命中可以进行改造以用作天然气发动机。

本发明与常规的厚衬套策略的不同之处尤其在于，以特殊方式构造气缸衬套和相关的密封机构以限制气缸衬套变形而不需要相对大的孔口来容置相对厚壁的气缸衬套。文中所述的各种特征的结合，诸如气缸衬套16的相对薄的壁厚t、衬套凸缘高度F相对于孔径D₁的长度、以及凸缘高度相对于总衬套长度的长度L，全部结合在一起以形成一可以承受合适的密封载荷而不会使气缸衬套变形并导致燃烧气体窜气或其它问题的气缸衬套。本发明与某些常规策略的不同之处还在于：施加至燃烧密封件40的密封载荷顺循图6中用箭头Z示出的载荷路径，该载荷路径大致平行于轴线A₁并集中在内表面86与外表面84之间。通过使保护性端部凸起102定位在外表面84附近而不是与某些较早策略中一样定位在内表面86附近，可以使燃烧密封件40的位置相对接近轴线A₁。结果，密封载荷倾向于经由更不易导致气缸衬套16向外张开的载荷路径传输通过气缸衬套16。该特征使得壁厚t能够保持相对薄，并且在某些情形中可以允许使用减小的密封载荷。

将燃烧密封件40安置成相对靠近轴线A₁并因此使内周26靠近衬套本体80的内表面86导致的又一个特征是：与燃烧密封件定位在气缸衬套的保护性端部凸起的径向外侧的较早设计相比，“缝隙容积（crevice volume）”减小。缝隙容积的减小使得气缸内燃料和空气趋于发生不完全燃烧或者燃烧以不同于期望的方式发生的空间较小。

本说明书仅基于说明的目的，并且不应当被解释为以任何方式使本公开内容的范围变窄。因此，本领域技术人员应理解，可以对当前公开的实施例作出各种改型而不脱离本发明的完整和合理的范围和精神。其它方面、特征和优点将在审阅附图和所附权利要求后变得显而易见。

Claims (10)

1.一种用于在内燃发动机（10）的发动机缸盖（12）与发动机机壳（14）之间密封的复合密封机构（20），包括：

一体式垫圈本体（22），其包括外周（24）和限定具有中心轴线的气缸开口（28）的内周（26），所述一体式垫圈本体（22）还包括在所述内周（26）与所述外周（24）之间沿径向延伸的上表面（30）、与所述上表面（30）相对地定位的下表面（32）、以及外径向区域（34），所述外径向区域（34）包括多个连通所述上表面（30）与所述下表面（32）的开孔（36）；

所述一体式垫圈本体（22）还具有内径向区域（38），所述内径向区域（38）包括具有发动机缸盖密封面（42）和气缸衬套密封面（43）的燃烧密封件（40），所述气缸衬套密封面（43）包括所述下表面（32）的一部分并邻近所述内周（26）地定位；并且

所述一体式垫圈本体（22）还包括位于所述下表面（32）中的凹部（44），所述凹部（44）位于所述气缸衬套密封面（43）的径向外侧并构造成在其中接纳气缸衬套（16）的保护性端部凸起（102）。

2.根据权利要求1的复合密封机构（20），其中，所述气缸开口（28）包括圆形形状，所述凹部（44）包括位于所述气缸开口（28）的中心轴线的周向并邻接所述气缸衬套密封面（43）的连续环状凹部（44）；并且

其中，所述多个开孔（36）包括一组绕所述中心轴线以第一径向图案布置的螺孔（46），以及一组绕所述中心轴线以不同于所述第一径向图案的第二径向图案布置的流体传输开孔（48），所述一体式垫圈本体（22）还包括多个与所述多个流体传输开孔（48）中的每一个逐一关联的流体传输密封件（50）。

3.根据权利要求2的复合密封机构（20），其中，所述气缸衬套密封面（43）限定第一密封面、所述发动机缸盖密封面（42）限定平行于所述第一密封面的第二密封面，并且其中所述气缸衬套密封面（43）和所述发动机缸盖密封面（42）相对于所述气缸开口（28）的中心轴线位于重叠的径向位置。

4.一种用于内燃发动机（10）的气缸衬套（16），包括：

衬套本体（80），其包括具有外表面（84）和内表面（86）的衬套壁（82），所述内表面（86）限定具有第一孔径的第一纵向孔口（88）和具有大于所述第一孔径的第二孔径的第二纵向孔口（90），所述第一纵向孔口（88）和所述第二纵向孔口（90）限定一共同的纵向轴线；

所述衬套本体（80）还具有第一轴向端（92）、第二轴向端（94）和多个轴向部段（96，98），所述多个轴向部段（96，98）包括第一轴向部段（96）和第二轴向部段（98），所述第一轴向部段（96）包括所述第一轴向端（92）和所述第一纵向孔口（88），所述第二轴向部段（98）包括所述第二轴向端（94）和所述第二纵向孔口（90），其中所述第一轴向部段（96）包括第一部段直径、所述第二轴向部段（98）包括大于所述第一部段直径的第二部段直径；

所述第二轴向端（94）包括在所述内表面（96）与所述外表面（88）之间沿径向延伸的密封面（100）、以及邻接所述密封面（100）并从所述密封面（100）沿轴向突出的保护性端部凸起（102），所述密封面（100）邻近所述内表面（86）地定位、所述保护性端部凸起（102）相比于所述内表面（86）更靠近所述外表面（84）地定位；并且

所述第一轴向部段（96）包括位于所述内表面（86）与所述外表面（84）之间的衬套壁（82）的壁厚，所述壁厚等于或小于所述第一孔径的约12%。

5.根据权利要求4的气缸衬套（16），其中：

所述保护性端部凸起（102）包括邻接所述外表面（84）并与所述第一纵向孔口和第二纵向孔口（88，90）共轴的连续环状凸起；

所述第一轴向部段（96）包括衬套座（109），从所述密封面（100）到所述衬套座（109）的距离限定一衬套凸缘高度，从所述第一轴向端（92）到所述第二轴向端（94）的距离限定一衬套长度；

所述衬套凸缘高度等于或小于所述第一孔径的约60%，并等于或大于所述衬套长度的约30%；并且

所述壁厚等于或小于所述第一孔径的约8%。

6.根据权利要求5的气缸衬套（16），其中，所述第一孔径等于或小于约150毫米，所述壁厚等于或小于约12毫米，所述衬套凸缘高度等于或小于约85毫米，所述衬套长度等于或小于约300毫米。

7.一种用于内燃发动机（10）的气缸衬套和复合密封组件（110），包括：

气缸衬套（16），所述气缸衬套包括具有外表面（84）和内表面（86）的衬套本体（80），所述内表面（86）限定包括纵向轴线的纵向孔口（88，90），所述气缸衬套还包括第一轴向端（92）和第二轴向端（94），所述第二轴向端（94）包括在所述内表面（86）与所述外表面（84）之间沿径向延伸的密封面（100）和从所述密封面（100）沿轴向延伸的保护性端部凸起（102）；以及

复合密封机构（20），其包括一体式垫圈本体（22），所述一体式垫圈本体（22）具有外周（24）和限定包括中心轴线的气缸开口（28）的内周（26），所述一体式垫圈本体（22）还包括在所述内周（26）与所述外周（24）之间沿径向延伸的上表面（30）、与所述上表面（30）相对地定位的下表面（32）、以及外径向区域（34），所述外径向区域（34）包括多个连通所述上表面（30）与所述下表面（32）的开孔（36）；

所述一体式垫圈本体（22）还具有内径向区域（38），所述内径向区域（38）包括具有发动机缸盖密封面（42）和气缸衬套密封面（43）的燃烧密封件（40），所述气缸衬套密封面（43）包括所述下表面（32）的一部分并邻近所述内周（26）地定位；并且

所述一体式垫圈本体还包括位于所述下表面（32）中的凹部（44），所述凹部（44）位于所述气缸衬套密封面（43）的径向外侧并构造成在其中接纳气缸衬套（16）的保护性端部凸起（102）。

8.根据权利要求7所述的组件，其中：

所述凹部（44）包括位于所述气缸开口（28）的中心轴线的周向并邻近所述气缸衬套密封面（43）地定位的连续环状凹部（44），并且其中所述保护性端部凸起（102）包括当所述气缸衬套密封面（43）接触所述气缸衬套（16）的所述密封面（100）、且所述气缸开口（28）与所述纵向孔口（88，90）共轴地布置时被接纳在所述凹部（44）中的连续环状凸起（102）；

所述多个开孔（36）包括一组绕所述中心轴线以第一径向图案布置的螺孔（46），以及一组绕所述中心轴线以不同于所述第一径向图案的第二径向图案布置的流体传输开孔（48）；并且

所述外周（24）还包括一周边部段（60）和另一周边部段（64），所述周边部段（60）限定所述外径向区域（34）的第一凸耳（62），所述螺孔（46）中的三个和多个所述流体传输开孔（48）位于所述第一凸耳（62）中，所述另一个周边部段（64）限定所述外径向区域（34）的第二凸耳（66），并且所述螺孔（46）中的三个和多个流体传输开孔（48）也位于所述第二凸耳（66）中。

9.一种组装内燃发动机（10）的方法，包括以下步骤：

使燃烧密封件（40）的气缸衬套密封面（43）与定位在所述内燃发动机（10）的发动机机壳（14）内的气缸衬套（16）接触；

使所述燃烧密封件（40）的发动机缸盖密封面（42）与所述内燃发动机（10）的发动机缸盖（12）接触；

将所述气缸衬套（16）的保护性端部凸起（102）接纳在凹部（44）内，所述凹部（44）形成在包括所述燃烧密封件（40）的一体式垫圈本体（22）的下表面（32）中；以及

至少部分地通过将所述一体式垫圈本体（22）夹持在所述发动机缸盖（12）与所述发动机机壳（14）之间的步骤来给所述一体式垫圈本体（22）施加密封载荷。

10.根据权利要求9的方法，其中：

施加密封载荷的所述步骤还包括：给包括燃烧密封件（40）的所述一体式垫圈本体（22）的内径向区域（38）施加第一载荷，并给包括多个流体传输密封件（50）的所述一体式垫圈本体（22）的外径向区域（34）施加不同的第二载荷，而不给所述保护性端部凸起施加载荷；

所述方法还包括以下步骤：密封载荷至少主要沿位于所述气缸衬套（16）的内表面（86）与外表面（84）之间并平行于所述气缸衬套（16）的纵向轴线定向的载荷路径传输通过所述气缸衬套（16）。

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