[发明专利]用于气体燃料的密封结构

说明书

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。

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