CN106194490B - 分段式排气歧管气体密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分段式排气歧管气体密封装置。本发明公开了一种用于防止发动机系统的分段式歧管中排气气体的泄漏的系统和方法。在一方面，组件包括第一歧管、法兰、具有凹入部分的第一支架和第二支架，该凹入部分配置为容纳压缩环以传递密封力。

Description

分段式排气歧管气体密封装置

技术领域

本发明涉及一种发动机排气系统中的密封装置，更具体而言，涉及一种用于分段式排气歧管组件的密封装置。

背景技术

内燃发动机可具有用于将燃烧产物排出发动机燃烧室的排气歧管。而组成排气气体的这些燃烧产物被排出到周围环境中。在某些情况下，发动机的排气歧管可成型为单个整体，其特征是与各自缸相互连接的多个排气入口与相应的燃烧室流体连通。

分段式排气歧管组件在燃烧发动机系统也是常见的。这些歧管组件包括多个独立的歧管节段，每个节段通常连接到内燃发动机的关联的缸，以接收来自那里的燃烧产物。歧管节段可通过延伸贯穿相邻歧管节段的法兰的滑配接头和/或螺栓接合。歧管节段可配置为适应各个节段之间的距离变化，以能够允许在内燃发动机运行与停止期间的热膨胀与收缩。

可出现在使用分段式歧管组件的内燃发动机中的一个问题在于，在两个法兰之间或在滑配接头的凸凹歧管部分之间的螺栓连接和通常为平面的表面不能提供有效的密封，从而排气气体能从歧管组件中泄漏。垫圈或密封剂也可用于在排气连接器与歧管节段之间的法兰连接。用于热膨胀补偿的传统技术也涉及使用密封圈。例如，为了补偿分段式排气歧管中在内燃发动机运行期间的热膨胀和运行结束后的热收缩，密封装置可与法兰连接结合使用。

再来，不论使用法兰还是滑配接头连接，传统的分段式排气歧管组件都可发生泄漏。例如由于发动机的高温和强运动环境，现有技术的密封圈随时间流逝会趋于疲劳和泄漏。

美国专利No.4,641,861提出了一种密封装置，其具有柔性接头，尤其适用于所公开的发动机排气系统的管道。该专利公开了如下内容，锁紧环被布置在第一管道的扩口端部上，止动法兰和可滑动锁紧法兰都位于第二管道上，在止动法兰和可滑动锁紧法兰之间布置有波形弹簧。通过第一管道扩口端部中的密封座对具有球形表面的密封圈进行定位。相应地在锁紧环和锁紧法兰上提供有卡口式联接部件，从而通过克服波形弹簧的阻力将锁紧环和锁紧法兰压紧在一起并且将它们相对彼此旋转以接合卡口联接部件来组装接头。但是，所建立的有效密封在接合独立管道的连接处仍承受泄漏。

本发明重点解决现有技术的这些和其他不足之处。

发明内容

在一方面，组件包括：第一歧管节段，其具有在该第一歧管节段中形成的第一流体通道并且具有布置在第一歧管节段的第一端部处的法兰；第一支架，其布置成与法兰相邻，第一支架限定至少第一内表面的一部分；第一凹入部分，其布置成与第一支架相邻；第二歧管节段，其具有在该第二歧管节段中形成的第二流体通道，第二歧管节段布置成第一内表面相邻；和压缩环，其布置成与第一凹入部分相邻。

在一方面，第一歧管节段具有在该第一歧管节段中形成的第一流体通道并且具有布置在第一歧管节段的第一端部处的法兰；第一支架，其联接到法兰，其中，第一支架限定至少第一凹处的一部分和第二凹处的一部分；第一压缩环，其布置成与第一凹处相邻；第二压缩环，其布置成与第二凹处相邻，其中，第二压缩环具有凹形曲面或凹形多边形横截面，其中，内角朝向第一压缩环取向；以及第二歧管节段，其具有在该第二歧管节段中形成的第二流体通道，第二歧管布置成与第一支架的内表面相邻，其中，第一压缩环和第二压缩环提供在第二歧管与第一支架之间的密封接合。

在一方面，第一歧管节段具有在该第一歧管节段中形成的第一流体通道并且具有布置在第一歧管节段的第一端部处的法兰；第一支架联接到法兰；第一凹入部分在第一支架的第一端部中形成；弹簧元件布置成与第一凹入部分相邻；压缩环布置成与弹簧元件相邻；以及第二歧管节段具有在该第二歧管节段中形成的第二流体通道，第二歧管布置成与第一支架的内表面相邻，其中，弹簧偏置压缩环，以提供在第二歧管节段与第一支架之间的密封接合。

附图说明

图1示出了具有根据本发明的方方面面的分段式排气歧管组件的内燃发动机的示意图。

图2示出了根据本发明的方方面面的分段式排气歧管组件的一部分的示意图。

图3示出了根据本发明的方方面面的图2的分段式排气歧管组件的横剖视图。

图4示出了根据本发明的方方面面的第一压缩环的分解图。

图5示出了根据本发明的方方面面的分段式排气歧管组件的横剖视图。

图6示出了根据本发明的方方面面的分段式排气歧管组件的横剖视图。

图7示出了根据本发明的方方面面的分段式排气歧管组件的横剖视图。

具体实施方式

本发明针对改进一种滑动配合接头。在本发明的一个方面中，用于分段式排气歧管的滑动配合组件可配置为传递径向力和轴向力以密封连接的歧管节段，以防止歧管组件中的排气泄漏。在接下来进一步详细描述的一些实施例中，上述方案可通过将压缩环和凹入部分并入联接到歧管节段法兰的一个或多个支架来实现。

图1示出了内燃发动机100，其具有排气歧管组件102。排气歧管组件102包括多个歧管节段104，例如，彼此流体连通的第一歧管节段104A和第二歧管节段104B。如图1中所示，每个歧管节段104 可与内燃发动机100的相应的燃烧气缸106流体连通。燃烧气缸106可形成气缸组108，歧管节段104从气缸组接收排气气体燃烧产物。歧管节段104和气缸组108可经由排气道(未示出)流体连通。如所示出的那样，气缸盖110可固定在发动机100上，与燃烧气缸106 的气缸组108相邻。

作为示意性的实例，随着燃烧发动机100中建立压力并且温度上升，泄漏可发生在歧管节段104之间，此处传统的滑动配合接头不可提供充分的密封。本发明涉及滑动配合组件112，其配置为使排气气体从排气歧管组件102的连接的歧管节段104中的这种渗漏最小化和/或防止排气气体从此处渗漏。

参考图2，滑动配合组件112流体连接两个歧管节段、例如104A 和104B并且可包括法兰214、第一支架216和第二支架218。在一方面，法兰214可布置在第一歧管节段104A的第一端部222处。第一支架216可通过一个或多个联接机构220(例如螺栓和螺母机构) 与第一歧管节段104A的法兰214联接。第一支架216可与法兰214 间隔，例如使得第二支架218可布置在第一支架216与第一歧管节段104A的法兰214之间。因而，联接机构220可使第一支架216和第二支架218都与法兰214联接，为此第二支架218位于第一支架 216与法兰214之间并且第二支架218承受由联接机构220和第一支架216提供的压缩力。

参考图3，第一支架216和第二支架218可包括通孔并且可共同限定沿着第一支架216和第二支架218中的每个的内周面的第一内表面332。作为实例，第一内表面332可被设置尺寸，以具有能够容纳歧管节段104之一(例如第二歧管节段104B)的至少一部分的直径。因而，第一支架216和第二支架218可容纳第二歧管节段104B 并且使第一歧管节段104A的流体通道324能够与第二歧管节段 104B的流体通道338流体连通。

在某些方面，第二歧管节段104B可具有第一端部336，该第一端部布置成大体上与第一内表面332呈90度(°)角。如此处所使用的，术语“大体上呈90度角”可表示相对第一内表面332法线测出的角度偏差小于或等于10％。当第二歧管节段104B布置成与第一内表面332相邻时，间隙334可限定在第一端部336与法兰214之间。

在某些方面，第一歧管节段104A、第二歧管节段104B、第一支架216和第二支架218可由相同材料或者具有相同或相似的热学特性曲线的材料铸成。材料之间相同或相似的热学特性曲线可确保第一歧管节段104A、第二歧管节段104B、第一支架216和第二支架 218展现出可匹敌的热膨胀和收缩性质。在发动机100运行期间温度和压力升高时，可匹敌的热膨胀和收缩性质可促进在滑动配合组件 112内沿径向和轴向方向的密封力的产生。在各个方面，一个或多个压缩环可包括在滑动配合组件112中，以提供在歧管节段104之间的密封接合。

第一凹入部分340可布置在第一支架216的第一端部326中。第一凹入部分340可布置在第一支架216的第一端部326中，第一支架的第一端部毗邻第二支架218的第一端部330、与第一支架216 的第二端部328相反。第一凹入部分340可布置成与第一内表面332 相邻。第一凹入部分340能够使第一支架216可容纳压缩环342。作为一个实例，当第二歧管节段104B布置成与第一内表面332相邻，从而第二歧管节段104B位于支架216、218之内时，压缩环342可布置成环绕第二歧管节段104B的外周面并且可与第二歧管节段的外周面密封接合。因而，与第一支架216和第二支架218一起构造的压缩环342可在第一支架216与布置在其中的第二歧管节段104B 之间传递径向弹性回复力并且在第一支架216与第二支架218之间传递轴向弹性回复力。

如图3、图5、图6和图7中所示，本发明的实施例包括的凹入部分可具有特别的形状或几何结构。在一个实例中，第一凹入部分 340可呈环状并且可具有通常为矩形的横截面。在此处公开的各个实施例中，替代的形状(例如为圆形或三角形或多边形)可为凹入部分的横截面几何结构。

参考图3和图4，压缩环342可包括外壳444，其具有网状芯446 或内里。根据本发明的一方面，外壳444可包括分开式壳体，其具有第一壳部分444A和第二壳部分444B。第一壳部分444A和第二壳部分444B可联接在一起以固定之间的网状芯446。在一些实施例中，第一壳部分444A和第二壳部分444B可动地彼此联接，从而被压缩的网状芯446的回复力可在第一壳部分444A和第二壳部分444B上提供径向力和轴向力。网状芯446可为可压缩的丝网状环。作为一个实例，壳444和网状芯446可由合适的高温金属制成。如本领域技术人员认识到的，高温金属可指的是在高温(例如高于450°F)时展现出对变形的抵抗能力的金属。这些金属可包括(但不局限于) 不锈钢或镍铬合金。

图5为类似于滑动配合组件112的滑动配合组件500的部分横截面视图，除了以下将描述的内容。在一方面，第一支架516和第二支架518可限定第一内表面532。第一支架516可具有在第一支架 516的第一端部526处形成的第一凹入部分540，第二支架518可具有在第二支架518的第一端部530形成的第二凹入部分552。第一支架516的第一端部526可毗邻第二支架518的第一端部530。这样，第一凹入部分540和第二凹入部分552可容纳第一压缩环548。

在一方面，第一压缩环548可包括网状环。作为一个实例，第一压缩环548可包括具有高温填料的编织网。第一压缩环548的编织网可包括粗晶奥氏体(加马相(gamma-phase)铁)不锈钢。高温填料可包括适用于450°F与1200°F间温度的材料。作为一个实例，编织网的高温填料可包括石墨或云母。编织网在内燃发动机运行期间可展现出抑制的特性。作为一个实例，具有高温填料的编织网状环可减少组件500内的磨损并且减少运动。

在一方面，第一凹入部分540和第二凹入部分552可具有一定的形状和一定的横截面几何结构。例如凹入部分540、548都可呈环状。

第三凹入部分554可形成在第一支架516的第二端部528中，因此限定第二内表面536。这样，第三凹入部分554布置成与第二歧管节段104B相邻，此时第二歧管节段104B布置成与第一支架516 和第二支架518相邻。如所认识到的那样，第三凹入部分554可具有特定的形状和几何结构。例如，第三凹入部分554可呈环状并且具有通常为矩形的横截面。第三凹入部分554可包括布置在其中的第二压缩环558。

在各个方面，第二压缩环558可布置成与第二内表面536的一部分相邻。第二压缩环558可配置为在第一支架216与布置在其中的第二歧管节段104B之间传递径向弹性回复力并且在第一支架216 与第二支架218之间并且最终贯穿组件500传递轴向弹性回复力。第二压缩环558的形状或几何结构可有助于传递的轴向弹性回复力。在本发明的一些方面，第二压缩环558可具有凹形曲面或凹形多边形横截面。对于第二压缩环558的凹形曲面横截面几何结构来说，凹形曲面可如下取向，使得曲面具有朝第一压缩环548取向的开口并且使得凹形曲面毗邻由第三凹入部分554形成的第二内表面536 的一部分。对于凹形多边形横截面形状来说，第二压缩环558具有内角560。内角560可朝向第一支架516的第一端部526取向。在一些方面，凹形多边形横截面形状可描述为V形、U形状等。第二压缩环558的凹形几何结构使得第二压缩环558能够在第二内表面536 的一部分上提供轴向弹性回复力。在本发明的各个实施例中，第二压缩环558的几何结构利用内燃发动机运行期间产生的压力以强迫第二压缩环558打开，并由此促进滑动配合组件500的密封。

第四凹入部分562可在第一支架516的第二端部528处形成。如此处所认识到的那样，第四凹入部分可具有特定的形状、例如环状并且具有通常为矩形的横截面。第四凹入部分562可限定第三内表面564。为了将第二压缩环558固定在第三凹入部分554内并且提供组件500内的硬度和稳定性，第四凹入部分562可包括布置在其中的环状保持件566。环状保持件566可布置成与通过第一支架516 的第四凹入部分562形成的第三内表面564的一部分相邻。在一方面，环状保持件可布置成与第一支架516的第二端部528相邻，从而第二压缩环558布置在环状保持件566与第一支架516的一部分之间。

图6中提出的组件600类似于图1、图2和图5中呈现的组件 112、500，除了该实施例包括改变的配置。图6呈现了组件600的实施例的完整横截面视图。组件600可包括法兰214、第一支架616、第二支架618、一个或多个凹入部分640、652和压缩环648。

如图6中所示，法兰214、第二支架618和第一支架616可通过联接机构620(例如螺栓)结合。此外，第一支架616可包括第一凹入部分640并且第二支架618可包括在其中形成并被构造成容纳压缩环648和弹簧668的第二凹入部分652。

如以上所认识到的那样，第一凹入部分640和第二凹入部分652 可具有特定的形状。在一个实例中，凹入部分640、652都可为环状。参考图6，第一凹入部分640可具有正三角形或者梯形横截面几何结构，以容纳压缩环648。压缩环648可具有不规则的梯形横截面，梯形横截面的平行边的边长不同。第二凹入部分652可具有通常为矩形的横截面，以容纳弹簧668。

压缩环648可布置成在第二支架618内与第二凹入部分652相邻。压缩环648可类似于图5中呈现的第一压缩环548。压缩环648 类似地可包括具有云母填料的编织丝网。

弹簧668可布置成与第一支架616的第一凹入部分640相邻。在该结构方案中，弹簧668可配置为将压缩环648向着第二支架618 偏压，以获得贯穿组件600的径向和轴向密封。弹簧668可为圆锥形弹簧垫圈。圆锥形的弹簧垫圈(也已知为波形垫圈或盘形弹簧垫圈)可传递弹性力给相邻的压缩环648，因此促成贯穿整个组件600 的轴向力。在另一方面，弹簧668可以是串联的圆锥形弹簧垫圈。弹簧668也可由合适的高温金属铸成。合适的高温金属可包括不锈钢或镍铬合金。

参考图7，组件700类似于图6的组件600，除了第二歧管节段 704B具有改变的结构。第一支架716和第二支架718可限定第一内表面732。第一支架716可具有在第一支架716的第一端部726处形成的第一凹入部分740，并且第二支架718可具有在第二支架718 的第一端部730处形成的第二凹入部分752。第一支架716的第一端部726可与第二支架718的第一端部730毗邻。

第二歧管节段704B可限定第二流体通道738并且可包括与第二端部772间隔的凸肩770。因而，凸肩770可包括沿第二歧管节段 704B凸出的部分并且可与第一支架716的第一内表面732的一部分毗邻。凸肩770可定位成使得第一压缩环748布置成与凸肩770相邻并且与在第一支架716的第一端部726内的第二凹入部分752相邻。凸肩770可提供附加的表面积以促成组件700中的密封力。

在图7中还示出，弹簧768可布置在第二支架716的第一端部 726内的第一凹入部分740中。弹簧768可布置成与第一压缩环748 相邻。如此处所公开的那样，弹簧768可为圆锥形弹簧垫圈。作为一个实例，弹簧768可包括串联的圆锥形弹簧垫圈。

第一压缩环748可布置在第一支架716的第一端部726内的第一凹入部分740中。第一压缩环748可布置成与在第二支架718内的第二凹入部分752相邻。第一压缩环748可类似于如图5中呈现的第一压缩环548。第一压缩环748可包括具有云母填料的编织丝网。

此外，第一压缩环748可包括多边形的横截面几何结构、例如五边形的横截面。但也可使用其他形状。多边形的横截面可在包括编织网和云母填料的第一压缩环748中形成，此时第一压缩环748 配置为匹配于第一支架716的第一凹入部分740内并且与凸肩770 相邻，如图7中所示的那样。

在本发明的一些实施例中，第一支架216、516、616、716或第二支架218、518、618、718的任意部分可与法兰214集成在一起。在一个实例中，法兰214可包括第一支架216、516、616、716。上述结构可提供贯穿组件112、500、600、700的额外的稳定性并且促成滑动配合组件112、500、600、700的密封。在另外的实例中，组件112、500、600、700可仅包括单个支架，第一支架216、516、616、 716与法兰214集成在一起。因而，一个或多个凹入部分540、552、554、562、640、652、740、752和一个或多个压缩环342、548、558、 648、748可布置在第一支架216、516、616、716内。

在各个实施例中，第一支架216、516、616、716和第二支架218、 518、618、718可以是全等的零件，除了一个或多个凹入部分540、 552、554、562、640、652、740、752的结构。更具体而言，第一支架216、516、616、716和第二支架218、518、618、718可构造成使得第一支架216、516、616、716和第二支架218、518、618、718 对称和/或相互替换。第一支架216、516、616、716和第二支架218、 518、618、718的对称可使组件112、500、600、700的结构能够在定位一个或多个凹入部分540、552、554、562、640、652、740、752 方面进行变化。此外，支架216、218、516、518、616、618、716、 718的一致性允许最小的设计变化，从而获得能够与滑配接头排气歧管组件匹敌的密封。当然，组件112、500、600、700如此处所公开的那样可易于匹配，因为第一支架216、516、616、716和第二支架 218、518、618、718的几何结构类似，因而类似地适合一个或多个凹入部分540、552、554、562、640、652、740、752的替代构型。

在另外的方面，第一歧管104A，第二歧管104B和法兰214可具有沉积其上的涂层。涂层可包括硬化剂，用以硬化第一歧管104A、第二歧管104B和法兰214的表面，以限制组件112、500、600、700 上的磨损、例如使磨损最小化。

工业实用性

此处呈现的组件及其相应的实施例可与具有分段式排气歧管组件的各种内燃发动机一起使用。如下文描述的那样，组件的各种运行模式可适应分段式排气歧管系统的各种运行要求和/或故障。当然，本发明的组件可配置为在一系列工况下均在独立的歧管节段的接头处提供径向和轴向的密封。径向和轴向密封力的这种连续负载应用可防止排气气体从分段式歧管组件泄漏。尤其是，组件可配置为在歧管节段接头处传递正弹性力，不论发动机是冷却还是处于例如从约450℃到约750℃的升高温度。

之后将参考图1至图7描述组件的若干运行模式。

在传统的内燃发动机中，例如图1中描绘出的发动机100，名义间隙可在第一支架和第二支架与第二歧管节段之间沿着第一内表面存在于传统的组件中。名义间隙提供空间以允许组件随着发动机100 温度升高而进行热膨胀。当处于发生热膨胀的运行温度时，第一歧管节段和第二歧管节段可接触，最终磨坏第二歧管组件的表面并且减小滑动配合接头中的密封。相应地，在传统的组件中，弹性回复力会减小。

图6示出了组件600的运行模式。第一歧管节段104A的法兰 214、第一支架616和第二支架618通过联接机构620(例如螺栓) 彼此联接在一起。第一支架616包括第一凹入部分640并且第二支架618包括第二凹入部分652。凹入部分640、652在第一支架616 的相近的第一端部626和第二支架618的第一端部630处彼此相邻。在凹入部分640、652内布置有压缩环648和弹簧668。当图1的燃烧发动机100运行时，燃烧产物从燃烧室通过其与排气歧管组件112、500、600、700的歧管节段104流体连通的相应的缸排到周围环境中。此处公开的组件112、500、600、700每个都配置为使排气气体从相邻的歧管节段104间的连接的泄漏最小化、例如防止泄漏。

参考图6，随着发动机在接合时加热以及在不接合时冷却，组件 600可发生热膨胀和收缩。压缩环648和相邻的弹簧668可彼此配合以在径向和轴向上在歧管节段104(例如第一歧管节段104A和第二歧管节段104B)的连接处提供持续的弹性回复力。持续的力可建立密封，因此防止排气释放到分段式歧管组件102外侧。

虽然上文参考实施例特定地示出并描述了本发明的方方面面，将理解为对本领域技术人员来说通过公开的机械、系统和方法的变型可设想到各种附加的实施例，而不偏离所公开的主旨和范围，应理解为这些实施例落入基于权利要求和任何等效物确定的本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种组合排气歧管组件，包括：

第一歧管节段，其具有在该第一歧管节段中形成的第一流体通道并且具有布置在所述第一歧管节段的第一端部处的法兰；

第一支架，其联接到所述法兰，其中，所述第一支架限定至少第一凹处的一部分和第二凹处的一部分；

第一压缩环，其布置成与所述第一凹处相邻；

第二压缩环，其布置成与所述第二凹处相邻，其中，所述第二压缩环具有凹形曲面或凹形多边形横截面，其中，所述第二压缩环的内角朝向所述第一压缩环取向；以及

第二歧管节段，其具有在该第二歧管节段中形成的第二流体通道，所述第二歧管节段布置成与所述第一支架的内表面相邻，其中，所述第一压缩环和所述第二压缩环提供在所述第二歧管节段与所述第一支架之间的密封接合，所述组合排气歧管组件还包括布置在所述第一支架与所述法兰之间的第二支架，其中，所述第二歧管节段布置成与所述第二支架的内表面相邻，所述第二支架限定至少所述第一凹处的一部分。

2.根据权利要求1所述的组合排气歧管组件，还包括布置成与所述第二凹处相邻的保持件，其中，所述第二压缩环置于所述保持件与所述第一支架的一部分之间。

3.根据权利要求2所述的组合排气歧管组件，其中，所述保持件具有环状形状并且配置为包围所述第二歧管节段的外周面。

4.根据权利要求1所述的组合排气歧管组件，其中，所述第一压缩环包括具有网状芯的外壳，该网状芯布置在外壳中。

5.根据权利要求4所述的组合排气歧管组件，其中，所述外壳包括分开式壳体，该分开式壳体的第一部分联接到第二部分。

6.根据权利要求1所述的组合排气歧管组件，其中，所述第一压缩环包括具有高温填料的编织丝网。

7.根据权利要求1所述的组合排气歧管组件，其中，所述第一凹处具有环状形状和矩形的横截面。

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