CN110080910A - 用于气体燃料的密封结构 - Google Patents

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Abstract

在金属‑金属密封结构中，当密封气体燃料时，用于高压液体燃料的密封标准不起作用。一种用于在内燃机中在气体燃料管道之间密封气体燃料的改进方法包括在第一管道与第二管道之间的密封结构的两个表面之间形成接触带。所述接触带的宽度至少等于下述中的较大者：接触压力至少等于预定的最小接触压力的情况下的最小接触压力宽度；以及所述两个表面中的至少一个已经塑性变形的情况下的最小屈服区宽度。

Description

用于气体燃料的密封结构
发明领域
本申请涉及一种用于气体燃料的密封结构，更具体地用于在内燃机中将管道相对于气体燃料轨道和气体燃料喷射器密封的密封结构。
发明背景
气体燃料的后期循环(late cycle)直喷是重塑柴油循环内燃机工业的革命性技术。通过在压缩冲程后期开始引入气体燃料，可以匹配与柴油燃料发动机相关的扭矩和燃料经济性，有利于减少排放和燃料成本。由于柴油燃料是不可压缩的流体，而气体燃料是可压缩的流体，所以柴油燃料发动机的燃料系统和气体燃料发动机的燃料系统之间在如何运行方面存在根本区别。柴油燃料是一种液体，并且作为一种基本上不可压缩的流体，它可以以比气体燃料更高的效率被加压到非常高的水平，因为将可压缩的流体的压力提高到相同高的水平需要更多的能量。用于柴油的高喷射压力有助于在燃料被喷射到燃烧室中时使燃料雾化，并且增加有助于将燃料与进气(intake charge)混合的湍流。与柴油燃料不同，气体燃料不需要雾化，并且尽管存在影响喷射压力的选择的其他因素，通过将燃料直接喷射到燃烧室中的已知的气体燃料发动机，喷射压力主要根据：克服喷射时缸内的压力并且能够在满载时在可用时间内引入足够的燃料以维持动力所需的压力来进行选择。作为一个实际的例子，现代柴油发动机中柴油燃料喷射压力在3000巴左右并不罕见，而直接喷射的气体燃料喷射压力通常在300巴左右，这是一个数量级的差异。
取决于燃料是液体燃料还是气体燃料，在密封燃料轨道与燃料喷射器之间的燃料管道时存在不同的技术挑战。如前所述，液体燃料和气体燃料各自的喷射压力可以是不同的数量级，并且液体燃料的特征性质与气体燃料根本上不同。液体颗粒具有相对非常低的势能，彼此有点相互吸引并且非常紧密地在一起(但是没有锁定就位)，而气体颗粒具有非常高的势能，彼此之间具有非常弱的吸引力并且相距非常远。液体颗粒可以相对于彼此振动和旋转，而气体颗粒可以相对于彼此振动、旋转和平移(translate)。至少基于这些原因，与液体燃料相比，已经采用不同的解决方案来密封用于气体燃料的燃料轨道与燃料喷射器之间的燃料管道。
现有技术的气体密封结构通常包括作为密封构件的弹性体O形环，其被布置为相对的金属部件之间的径向密封件或面密封件。在气体燃料轨道与从燃料轨道分支到燃料喷射器的燃料管线之间采用一个这样的密封结构。O形环密封构件由被压缩时可变形以填充燃料轨道与燃料管线之间的凹凸(asperities，粗糙不平)的半渗透且可压缩的材料制成，诸如弹性体或橡胶材料。这种现有技术的密封结构在静态和循环压力条件(直到至少在300巴范围内的压力)下均可靠并且耐用。配置有该密封装置的发动机正常运行较长时间而不会检测到任何的泄漏。然而，在损坏O形环密封构件的某些极端运行条件下出现了故障模式。如果气体燃料分子足够小到在O形环密封构件长时间暴露于高压气体燃料之后渗透该O形环密封构件，则气体分子可以渗透到密封构件中。密封构件暴露于高压气体燃料越久，气体燃料分子渗透的量和深度就越大。在气体燃料降压事件(event)期间，当密封构件的高压侧上的压力被释放时，密封构件内的气体燃料分子经受使其迅速排出密封构件的压力差。当运行内燃机时，可以存在气体燃料降压事件，其涉及气体燃料压力的快速且较大的变化，诸如当发动机从高负载切换到怠速时，或者当发动机关闭时。在密封构件已经被高压气体渗透，并且密封构件上的压力降低速率和数量都足够高的情况下，气体燃料分子以导致对密封构件的结构损坏这样的力和速度排出密封构件。损坏最初几乎是不可检测的，但是通过上述场景的重复循环，对密封构件的累积的结构损坏将使得其不能够在高压下密封气体燃料。
现有技术中缺少用于在内燃机的燃料系统内密封气体燃料的技术。本方法和装置提供了一种用于改善内燃机中气体燃料管道之间以及气体燃料管道与燃料喷射器之间的气体燃料的密封的技术。
发明内容
一种用于在内燃机中在气体燃料管道之间密封气体燃料的改进的方法，包括：在第一管道与第二管道之间的密封结构的两个表面之间形成接触带。在示例性实施例中，所述表面是金属表面。所述接触带的宽度至少等于下述中的较大者：当接触压力至少等于预定的最小接触压力时的最小接触压力宽度；以及在所述两个金属表面中的至少一个已经塑性变形的情况下的最小屈服区宽度。所述接触带的宽度在所述最小接触压力宽度和所述最小屈服区宽度中的较大者的预定范围内。任一金属表面可以是截头圆锥面、球面、抛物面和双曲面之一。在示例性实施例中，一个金属表面是球形的，而另一个金属表面是截头圆锥形的。
所述方法还包括根据下述中的至少一个来选择所述预定的最小接触压力：气体燃料压力；所述第一管道的材料和所述第二管道的材料中的至少一个；以及所述接触带周围的所述第一管道和所述第二管道中的至少一个的表面光洁度。在示例性实施例中，将所述预定的最小接触压力选择为至少等于所述气体燃料压力的四倍。所述方法还包括根据下述中的至少一个来选择所述最小屈服区宽度：气体燃料压力；所述第一管道的材料和所述第二管道的材料中的至少一个；以及所述接触带周围的所述第一管道和所述第二管道中的至少一个的表面光洁度。在示例性实施例中，与所述第二管道相比，为所述第一管道选择较软的材料，使得仅所述第一管道塑性变形。
在示例性实施例中，所述第二管道是燃料管线。所述方法还包括将所述第二管道的壁厚度选择为小于液体燃料管线(诸如柴油燃料管线)的壁厚度。这允许减小气体燃料系统的封装外壳和/或允许增加气体燃料管线中的气体燃料流区域。
所述方法还包括精整所述金属表面，使得表面粗糙度在0.06均方根至1.6均方根的范围内。所述表面光洁度不需要超级抛光以实现气体燃料密封，而且当所述表面被精整为达到至少预定的粗糙度水平时，可以通过减小的接触压力实现密封。
一种用于在内燃机中的第一管道与第二管道之间形成气体燃料密封件的改进的密封结构，包括所述第一管道中的向内渐缩部分和所述第二管道的一个端部处的端部件(end-form)。配件(fitting)围绕所述向内渐缩部分延伸并固定至所述第一管道。所述第二管道延伸穿过与所述配件螺纹接合的螺母，以将所述端部件固定至所述向内渐缩部分，从而形成接触带。所述接触带的宽度至少等于下述中的较大者：接触压力至少等于预定的最小接触压力的情况下的最小接触压力宽度；以及所述端部件和所述向内渐缩部分中的至少一个已经塑性变形的情况下的最小屈服区宽度。在示例性实施例中，所述向内渐缩部分和所述端部件是低至中等强度钢，并且所述最小接触压力宽度和所述最小屈服区宽度在0.5毫米至1毫米的范围内。
在另一个示例性实施例中，所述第一管道是气体燃料喷射器中的气体燃料轨道和管道中之一。所述第一管道可以是细长管、具有燃料通道的锻造部件以及具有燃料通道的模制部件之一。所述第二管道可以是燃料管线。所述第二管道可以是细长管，所述细长管包括外直径和内直径，其中，所述外直径小于所述内直径的二倍。在示例性实施例中，所述外直径基本上是10毫米左右，而所述内直径基本上是6毫米左右。
所述向内渐缩部分的表面形状可以是截头圆锥面、球面、抛物面和双曲面中之一。所述端部件的表面形状可以是截头圆锥面、球面、抛物面和双曲面中之一。在示例性实施例中，所述向内渐缩部分的表面形状是截头圆锥形的，而所述端部件的表面形状是球形的。
所述最小接触压力宽度可以大于所述最小屈服区宽度，或反之亦然，而这取决于多个因素，特别是取决于管道的材料。在示例性实施例中，所述预定的最小接触压力至少等于气体燃料的四倍。
附图说明
图1是根据第一实施例的气体燃料密封结构的横截面示意图。
图2是包括气体燃料喷射器的燃料系统的等距视图，所述气体燃料喷射器通过相应的气体燃料管线与气体燃料轨道连接，其中采用气体燃料密封结构(如图1的气体燃料密封结构)将气体燃料管线相对于气体燃料轨道和气体燃料喷射器流体地密封。在所示的实施例中，气体燃料喷射器也是能够将气体燃料和液体燃料分开并独立地引入内燃机的燃烧室中的液体燃料喷射器。
图3是图1的密封结构的端部件与向内渐缩部分之间的接触带的示意图，其中最小接触压力宽度(接触压力至少等于预定的最小接触压力的情况下的宽度)大于最小屈服区宽度(接触带已经塑性变形的情况下的宽度)。
图4是图1的密封结构的端部件与向内渐缩部分之间的接触带的示意图，其中最小接触压力宽度(接触压力至少等于预定的最小接触压力的情况下的宽度)小于最小屈服区宽度(接触带已经塑性变形的情况下的宽度)。
具体实施方式
参考图1和图2，示出了适于在内燃机的燃料系统中在管道之间的流体连接部处密封气体燃料的密封结构100。密封结构100可以用于气体燃料轨道110与燃料管线120之间的分支连接部，其中燃料管线将气体燃料从燃料轨道递送到燃料喷射器10，用于在压缩冲程期间在任何时间直接喷射到内燃机的燃烧室(未示出)中，并且进入发动机的动力冲程。在图2所示的实施例中，燃料喷射器10也通过燃料管线121与液体燃料轨道111流体连通，并且可以将气体燃料和液体燃料(诸如柴油)分开并且独立地引入到燃烧室中。在燃料管线120与燃料喷射器10之间采用密封结构101(图2中所见)，以在其间提供气密连接部，并且由于密封结构101与密封结构100类似，因此本文仅描述密封结构100。在其他实施例中，可以在气体燃料轨道与仅引入气体燃料的燃料喷射器之间采用密封结构100、101。燃料喷射器10可以用于所谓的高压直喷(HPDI)内燃机，其中气体燃料被引入后期循环，并且是大部分时间在大部分发动机控制参数图(engine map)上提供大部分动力的主要燃料，而液体燃料(诸如柴油)是被压缩点火并用于点燃气体燃料的引燃燃料。
参考图1，现在更详细地描述密封结构100。在所示的实施例中，燃料轨道110是具有纵向轴线150和位于外直径160与内直径170之间的壁115的细长管。在其他实施例中，燃料轨道不需要是细长管，并且可以是包括用于递送一种或多种燃料的燃料通道(其中至少一个燃料通道递送气体燃料)的锻造或模制部件。通常，对于任何燃料轨道的构造和形状，纵向轴线150可以被认为是燃料轨道的位于密封构件100的区域中的至少局部纵向轴线。外直径160的半径与内直径170的半径之间的差限定了壁厚度180。壁115包括从外表面130中的向内渐缩部分200延伸到内表面140的通孔190。通孔190的轴线210相对于燃料轨道的纵向轴线150是横向的。在示例性实施例中，向内渐缩部分200的表面205是截头圆锥面；然而，在其他实施例中，表面可以是球面、抛物面、椭圆面、双曲面以及其他类型的表面形状。燃料轨道110由金属材料制成，特别是表面205所界定(bound)的材料是金属。
燃料管线120包括外表面220和内表面230。在所示的实施例中，燃料管线120是由纵向轴线240限定的细长管，位于燃料轨道110附近，并且其中外直径250和内直径260限定壁270。燃料管线120在燃料轨道110与燃料喷射器之间提供流体连接，并且可以弯曲成预定形状以便在它们之间形成连接部，如图2所示。外直径250的半径与内直径260的半径之间的差限定了壁厚度280。壁厚度280是按照行业标准和规定基于气体燃料的设计压力范围和气体燃料的安全处理所需的强度特性来指定的。如果所选择的气体燃料管线壁厚度可以小于柴油燃料管线壁厚度，这可以提供如下优点：为通常的外直径提供较大的横截面流面积，或者为通常的横截面流面积提供减小的外直径。此外，当壁厚度280减小时，燃料管线120的可成形性增加，这在燃料管线需要弯曲成预定形状(诸如图2所示的那些形状)时是有利的。燃料管线120还包括具有表面300的端部件290，在所示的和优选的实施例中所述表面被成形为与容纳其的轨道表面205配合；然而，在其他实施例中，表面300可以以其他轮廓成形，诸如，例如球面、截头圆锥面、抛物面、椭圆面和双曲面。在所示的实施例中，端部件290与燃料管线120成一体，并且由金属材料(诸如钢)制成。
环形配件310围绕向内渐缩部分200和通孔190并且从外表面130向外延伸，而且可以与燃料轨道110成一体或焊接至该燃料轨道。在其他实施例中，配件310可以包括容纳燃料轨道110的环形套环(collar)，使得配件被移动到通孔190的这样一位置，该配件在该位置诸如通过固定螺钉、插塞或焊接被固定至燃料轨道。在另外的实施例中，当燃料轨道110被锻造时，环形配件310可以是从锻造表面延伸的凸台(boss)。为了将燃料管线120固定至燃料轨道110，燃料管线延伸穿过螺母320和环形套筒330，使得螺母螺纹地接合环形配件310，以通过套筒将压缩力传递至端部件290以及燃料轨道上，从而在端部件的表面300与向内渐缩部分200的表面205之间形成气密密封件。可以通过控制当螺母320紧固至配件310时施加至该螺母的扭矩来控制表面205与300之间的接触压力。如本文所使用的，措辞“气密密封件”是指这样一种密封件，当气体燃料压力低于预定值时，将穿过该密封件的气体燃料泄漏保持在预定的最大泄漏速率以下。在其他实施例中不需要环形套筒330，并且在这些实施例中，螺母320可以直接接合端部件290。螺母320包括具有支承表面340的阶梯孔，并且环形套筒330包括可以与螺母的支承表面340相互接合的支承表面360。在所示的实施例中，支承表面340和360是环形的，并且围绕轴线240延伸。优选地，套筒330是比端部件290更硬的材料，以减少由于螺母320的紧固而导致的支承表面360的变形。套筒330的结构在其他实施例中可以变化。沿环形配件310的外表面的外螺纹370可与沿螺母320的阶梯孔的内螺纹380相互接合。在其他实施例中，环形配件310和螺母320上的螺纹可为相反的，即，环形配件上的可以是内螺纹，而螺母上的是外螺纹。因为螺母32与环形配件310螺纹接合，所以套筒330上的支承表面390与端部件290上的支承表面400相互接合，以将压缩力从螺母传递至端部件。
密封结构(类似于密封结构100)已经用于内燃机的柴油燃料系统中以密封高压管道之间的流体地连通柴油燃料(液体)的分支连接部。在这些柴油密封结构中，通常需要柴油燃料管线的端部件(端部件290的类似物)与柴油燃料轨道中的向内渐缩部分(向内渐缩部分200的类似物)之间的接触压力在柴油燃料压力的1.5至2倍之间，以形成用于高达3000巴的柴油燃料压力的液密密封件。当将这种相同的液体密封标准应用于密封结构100时，当燃料轨道110和燃料管线120流体地连通气体燃料时，在燃料轨道与燃料管线之间不能形成气密密封件，其中发现在没有塑性变形的情况下，对于低至300巴的气体燃料压力，气体燃料以高于预定的最大泄漏速率泄漏。
现在参考图3和图4，将描述在端部件290与向内渐缩部分200之间形成气密密封件的标准。当螺母320(见图1)被紧固至环形配件310时，在端部件290与向内渐缩部分200之间形成接触带500，将端部件压入向内渐缩部分中。接触带500的形状是由向内渐缩部分的表面205和端部件的表面300的形状决定的。在所示的实施例中，接触带500是环形的；在其他实施例中，接触带500可以具有其他形状，诸如椭圆形带。发明人发现，在接触带500处仅规定表面205与300之间的接触压力不足以确保气密密封件。为了形成气密密封件，接触带500的宽度510需要至少等于下述中的较大者：(1)接触压力大于预定的最小接触压力的情况下的最小接触压力宽度520，以及(2)端部件290和渐缩部分200之一已经塑性变形的情况下的最小屈服区宽度530。在图3所示的实施例中，最小接触压力宽度520大于最小屈服区宽度530。这不是必需的，并且在其他实施例中，最小接触压力宽度可以大于最小屈服区宽度，如图4所示。取决于表面205和300相对于彼此的形状和定向，接触带500通常包括塑性变形区域和一个或多个弹性变形区域。例如，当表面205是平坦的并且表面300是球形时，塑性变形区域可以在任一侧上被弹性变形的区域跨过。
预定的最小接触压力是气体燃料的函数，更具体地，是构成气体燃料的气体颗粒的特征性质的函数。在示例性实施例中，当气体燃料是甲烷或天然气时，预定的最小接触压力等于燃料轨道110和燃料管线120中的气体燃料压力(在密封件上施加的压力)的四倍。最小接触压力宽度520是表面205和300的形状的函数。例如，当这些表面平行时，那么当接触压力等于预定的最小接触压力时，最小接触压力宽度520等于接触带500的宽度510。向内渐缩部分的表面205和端部件的表面300的表面光洁度(或粗糙度或凹凸程度)也影响最小接触压力宽度520。表面205和表面300具有低于预定的最大表面粗糙度的表面光洁度，并且在示例性实施例中，预定的最大表面粗糙度为1.6均方根。
需要塑性变形来填充接触带500处的表面205和300(见图3)中的表面凹凸，以形成气密密封件。这与在与液体燃料管线121(见图2)相关联的密封结构102和103中形成液密密封件形成对比，在与液体燃料管线相关联的密封结构中不需要塑性变形来形成密封件。优选地，只有端部件290塑性变形，因为更换燃料管线120通常比更换燃料轨道110或燃料喷射器10更经济，并且在密封结构100已经被组装和拆卸预定次数而导致在接触带500附近表面疲劳之后，燃料管线120可能需要更换。最小屈服区宽度530是屈服材料(其可以是端部件290、燃料轨道110或燃料喷射器10的材料)、向内渐缩部分的表面205和端部件的表面300的精整，以及燃料轨道110和燃料管线120中的气体燃料压力(在密封件上施加的压力)的函数。
在示例性实施例中，向内渐缩部分200和端部件290由低至中等强度钢(诸如碳钢)制成，并且最小接触压力宽度520在0.5至1毫米的范围内，而最小屈服区宽度在0.5至1毫米的范围内。
通过将上述两个标准应用于用于密封气体燃料的密封结构100和101，可以提高密封结构的可靠性和耐用性两者。也就是说，如果没有考虑上述气体燃料密封标准而将密封结构100随意地用于密封气体燃料，并且发现气体燃料泄漏，则本领域技术人员将倾向于使螺母320经受过度扭矩，从而在端部件290或向内渐缩部分200或二者中造成过度的塑性变形，其降低了密封结构的可靠性和耐久性，这是因为所述密封结构被重复组装和拆卸，以及所述密封结构由于内燃机运行而经受反复的振动加载，这二者都可能导致疲劳。接触带500中的过度接触压力也会使螺母320和配件310之间的螺纹连接过度紧张，进一步降低了密封结构100的可靠性和耐用性。与不符合标准时相比，当符合气体燃料密封标准时，密封结构100、101中的部件将不会过高和过大。这允许降低密封结构以及采用密封结构的气体燃料系统的整体封装外壳的成本。这对于气体燃料系统位于发动机阀盖下方(可以挤满预先存在的部件的位置)的那些内燃机应用尤其重要。本文公开的密封结构可以用于密封除内燃机以外的应用中的气体燃料管道。
尽管已经示出和描述了本发明的特定元件、实施例和应用，但是应当理解，本发明不限于此，因为本领域技术人员可以在不脱离本公开的范围的情况下(特别是根据前述教导)进行修改。

Claims (20)

1.一种用于在内燃机中在气体燃料管道之间密封气体燃料的方法，包括：
在第一管道与第二管道之间的密封结构的两个表面之间形成接触带，
其中，所述接触带的宽度至少等于下述中的较大者：
接触压力至少等于预定的最小接触压力的情况下的最小接触压力宽度；以及
所述两个表面中的至少一个已经塑性变形的情况下的最小屈服区宽度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接触带的宽度在所述最小接触压力宽度和所述最小屈服区宽度中的较大者的预定范围内。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括根据下述中的至少一个来选择所述预定的最小接触压力：
气体燃料压力；
所述第一管道的材料和所述第二管道的材料中的至少一个；以及
所述接触带周围的所述第一管道和所述第二管道中的至少一个的表面光洁度。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，还包括将所述预定的最小接触压力选择为至少等于所述气体燃料压力的四倍。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括根据下述中的至少一个来选择所述最小屈服区宽度：
气体燃料压力；
所述第一管道的材料和所述第二管道的材料中的至少一个；以及
所述接触带周围的所述第一管道和所述第二管道中的至少一个的表面光洁度。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括为所述第一管道选择与所述第二管道相比较软的材料。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括选择所述较软的材料，使得仅所述第一管道塑性变形。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第二管道是燃料管线，所述方法还包括将所述第二管道的壁厚度选择为小于液体燃料管线的壁厚度。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括精整所述表面，使得表面粗糙度在0.06均方根至1.6均方根的范围内。
10.一种用于在内燃机中在第一管道与第二管道之间形成气体燃料密封件的密封结构，包括：
所述第一管道中的向内渐缩部分；
配件，所述配件围绕所述向内渐缩部分延伸并固定至所述第一管道；
螺母；
端部件，所述端部件位于所述第二管道的一个端部处，所述第二管道延伸穿过所述螺母，
其中，所述螺母螺纹地接合所述配件，以将所述端部件固定至所述向内渐缩部分，从而形成接触带，
其中，所述接触带的宽度至少等于下述中的较大者：
接触压力至少等于预定的最小接触压力的情况下的最小接触压力宽度；以及
所述端部件和所述向内渐缩部分中的至少一个已经塑性变形的情况下的最小屈服区宽度。
11.根据权利要求10所述的密封结构，其中，所述最小接触压力宽度在0.5毫米至1毫米的范围内以及所述最小屈服区宽度在0.5毫米至1毫米的范围内中的至少一个成立。
12.根据权利要求10或11所述的密封结构，其中，所述向内渐缩部分是低至中等强度钢和所述端部件是低至中等强度钢中的至少一个成立。
13.根据权利要求10、11或12所述的密封结构，其中，所述第一管道是气体燃料喷射器中的气体燃料轨道和管道中之一。
14.根据权利要求10、11或12所述的密封结构，其中，所述第一管道是细长管、具有燃料通道的锻造部件以及具有燃料通道的模制部件中之一。
15.根据权利要求10至14中的任一项所述的密封结构，其中，所述第二管道是燃料管线。
16.根据权利要求10至14中的任一项所述的密封结构，其中，所述第二管道是细长管，所述细长管包括外直径和内直径，其中，所述外直径小于所述内直径的二倍。
17.根据权利要求10至16中的任一项所述的密封结构，其中，所述向内渐缩部分的表面形状是截头圆锥面、球面、抛物面和双曲面中之一。
18.根据权利要求10至17中的任一项所述的密封结构，其中，所述端部件的表面形状是截头圆锥面、球面、抛物面和双曲面中之一。
19.根据权利要求10至18中的任一项所述的密封结构，其中，所述最小接触压力宽度大于所述最小屈服区宽度。
20.根据权利要求10至19中的任一项所述的密封结构，其中，所述预定的最小接触压力至少等于气体燃料压力的四倍。
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