CN104854384B - 用于压力调节阀的密封圈 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于压力调节阀的密封圈(10)，该压力调节阀用于在具有涡轮增压器的内燃机中控制增压压力，该密封圈包括关于缸轴线(16)旋转对称的密封体(12)，该密封体由如下材料制成，该材料包含一种或多种全氟化的热塑性塑料作为主要成分，其中，密封体(12)具有基本上呈U形的横截面型廓并具有顶部区域(18)和两个密封唇(20、22)，这些密封唇从顶部区域(18)出发彼此平行或带一定张开角地至少近似沿缸轴线(16)的方向延伸，该密封圈还包括关于缸轴线(16)旋转对称的弹簧元件(14)，该弹簧元件由钢制成并且具有基本上呈U形的横截面型廓，其中，弹簧元件(14)按如下方式布置在密封体(10)的密封唇(20、22)之间，即，使该弹簧元件直接抵靠在这些密封唇的面向彼此的表面(30、32)上。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于压力调节阀的密封圈，该压力调节阀用于在具有涡轮增压器的内燃机中控制增压压力。
本发明还涉及一种用于在具有涡轮增压器的内燃机中控制增压压力的压力调节阀，该压力调节阀包括这种密封圈。
背景技术
在配备有用于压缩向缸输送的空气的涡轮增压器的内燃机中，尤其是机动车的汽油发动机或柴油发动机中，增压压力首先取决于环境气压以及涡轮增压器的转速。为了能根据发动机的相应的功率需求来控制增压压力，通常设置有压力调节阀。该压力调节阀包括阀活塞，该阀活塞以能沿着缸轴线移动的方式布置在阀缸中，其中，活塞在缸中的运动通常通过加载电磁力来进行，也就是说，该压力调节阀是电磁阀。
在这种压力调节阀中，为了相对于阀缸密封阀活塞，设置有由塑料材料制成的密封圈，该密封圈要么固定在缸上，要么固定在活塞上。在第一种情况下，在密封圈与活塞之间实现动态密封(靠内的密封)，而在第二种情况下，在密封圈与缸之间实现动态密封(靠外的密封)。为了压力调节阀的最优的功能，尤其是为了尽可能精确地控制增压压力，一方面需要密封圈的非常高的密封作用，并且另一方面需要在配合面上有尽可能小的摩擦，从而可以用尽可能小的移动力使活塞运动。
在根据现有技术的公知的压力调节阀中，尤其使用由弹性体材料制成的密封圈。但是，这些材料的缺点是：由其制造的密封圈的形状稳定性在很低的温度下以及在很高的温度下都是不理想的，由此可能出现泄漏。此外，弹性体密封件承受相对高的材料磨损，这相应缩短了其使用寿命。
发明内容
因此，本发明的任务是：提供一种用于压力调节阀的密封圈，在动态密封面上的很小的摩擦的同时，该密封圈可以在很宽的温度范围内实现可靠的密封。
根据本发明，在开头提到类型的密封圈中，该任务通过如下方式来解决，即，使密封圈包括以下部件：
-关于缸轴线旋转对称的密封体，该密封体由如下材料制成，该材料包含一种或多种全氟化的热塑性塑料作为主要成分，其中，密封体具有基本上呈U形的横截面型廓并带有顶部区域和两个密封唇，这些密封唇从顶部区域出发彼此平行或带一定张开角地至少近似沿缸轴线的方向延伸；以及
-关于缸轴线旋转对称的弹簧元件，该弹簧元件由钢制成并且具有基本上呈U形的横截面型廓，其中，弹簧元件布置在密封体的密封唇之间，从而使该弹簧元件直接抵靠在这些密封唇的面向彼此的表面上。
因此，根据本发明的密封圈包括两个部件，其中，第一部件(实际上的密封体)由具有高热稳定性和化学稳定性以及很小的摩擦系数的材料形成。在此，一种或多种全氟化的热塑性塑料可以要么是能熔融加工的，要么是不能熔融加工的，对此在下面还将详细描述。已经证明的是：由这类材料制成的密封体在大约-40℃至180℃的宽温度范围中具有良好的形状稳定性进而具有保持不变的密封作用，由此不仅满足了发动机在极低的外部温度下的冷启动，而且也满足了压力调节阀的最大的运行温度。此外，这些材料相对于由燃料、机油等造成的影响(泄漏)是非常耐受的。
根据密封体的上述几何形状，两个密封唇形成槽，由钢相应成形的弹簧元件作为根据本发明的密封环的第二部件形状锁合地容纳在该槽中。在密封圈的安装状态中，弹簧元件受到径向的张紧力并且将两个密封唇压到压力调节阀的活塞和缸的相应的配合面上，其中，按照适宜方式，密封体和弹簧元件按如下方式设计并且彼此协调，即，使得将密封唇压到配合面上的压力基本上仅来自于弹簧元件，而不来自于密封体的基于记忆效应的固有应力，这在由全氟化的热塑性塑料制成的密封件中是常见的。换而言之，密封体尤其被设计成在相应的安装状态中，该密封体在没有弹簧元件的情况下不具有密封作用。已经证明的是：在根据本发明的密封圈中，在这种情况下可以实现用以将密封唇压到相应的配合面上的非常小的且在很宽的温度范围中基本恒定的按压力，从而对于阀活塞在阀缸中的运动来说仅需要很小的移动力。
在根据本发明的密封圈中，面向缸轴线的靠内的密封唇具有面向缸轴线的靠内的密封面，而背离缸轴线的靠外的密封唇具有背离缸轴线的靠外的密封面。也就是说，在本发明的意义下，说明语“内”和“外”涉及关于缸轴线的位置，而不是例如关于在两个密封唇之间形成的槽的位置。密封体的两个密封面中的一个充当静态密封面而另一个充当动态密封面，这取决于密封圈是布置在压力调节阀的活塞上还是布置在压力调节阀的缸上。按照适宜方式，密封体按如下方式构造：不仅靠内的密封面而且靠外的密封面可选地都可以充当动态密封面，即，同一密封圈可选地可以作为内密封件或作为外密封件来使用。
按照适宜方式，密封体的横截面型廓按如下方式构造，即，靠内的密封面基本上仅沿着一条限定了密封圈的内圆周的线抵靠在与缸轴线平行的配合面上。于是，这尤其在靠内的密封面充当或能充当动态密封面时适用，其中，配合面由阀活塞的外侧来形成。通过这样的设计可以使密封体与配合面之间的摩擦最小化。
此外，按照适宜方式，密封体的横截面型廓按如下方式构造，即，靠外的密封面基本上仅沿着一条限定了密封圈的外圆周的线抵靠在与缸轴线平行的配合面上。于是，这尤其在靠外的密封面充当或能充当动态密封面时适用，其中，配合面由阀缸的内侧来形成。如上文已描述的那样，特别有利的是，密封体的靠内的密封面和密封体的靠外的密封面相应地构造，从而使得根据本发明的密封圈不仅可以作为内密封件而且也可以作为外密封件来使用。
在此要考虑到的是：虽然密封体的预先给定的几何形状可以被构造成使靠内和/或靠外的密封面分别仅沿着一条线贴靠在配合面上。但是在实际条件下，在密封圈的安装状态中，最小的材料变形就导致贴靠面仅仅近似相应于一条线，也就是说，沿缸轴线方向具有一定的宽度。
优选地，两个密封唇之间的张开角可以在0°至30°的范围内，即，两个密封唇要么彼此平行且正好沿缸轴线的方向延伸，要么从顶部区域出发张开并且仅近似地沿缸轴线的方向延伸。张开角优选在10°至20°的范围内。
对于密封唇张开角的说明尤其涉及这些密封唇的面对彼此的表面，这些表面按照适宜方式平坦地构造，其中，抵靠在这些表面上的弹簧元件于是分别具有同样的张开角。密封唇的外型廓，即靠内和靠外的密封面由于其几何形状可以与这种笔直的走向不同。
张开角的角平分线优选平行于缸轴线延伸，即，两个密封唇分别相对于缸轴线倾斜了同样的角度。
根据本发明的密封圈的典型的尺寸对应于开头描述的压力调节阀的大小。密封体优选具有20mm至30mm的内直径、24mm至36mm的外直径和(沿缸轴线的方向)2.5mm至4mm的高度。在不同长度的密封唇的情况下，密封体的高度通过较长的密封唇来确定，其中，两个密封唇优选具有相同或类似的长度。
按照适宜方式，密封体具有0.15mm至0.6mm的材料厚度。密封体的材料厚度在不同的区域中可以是不同的，其中，在最薄的区域中，材料厚度优选为0.15mm至0.3mm。
根据本发明，密封体的材料包含一种或多种全氟化的热塑性塑料作为主要成分。根据一种实施方式，该密封体的材料是至少一种不能熔融加工的全氟化的塑料、尤其是PTFE(均聚的四氟乙烯)或改性PTFE(具有很少的共聚单体份额)。虽然PTFE是热塑性塑料，但是基于其极高的熔融粘度，PTFE是不能熔融加工的，也就是说尤其不能借助注塑成型来加工。PTFE的特色是特别高的热稳定性和化学稳定性。
根据本发明的另一种优选实施方式，密封体包含至少一种能熔融加工的全氟化的热塑性塑料作为主要成分，尤其是具有多于0.5重量百分比的共聚单体份额的TFE(四氟乙烯)共聚物。通过在该数量级范围中的共聚单体份额，可以减少聚合物链的分子量，而不影响材料的机械强度，从而降低了熔融粘度并且可以实现例如借助注塑成型的加工。
共聚单体优选从全氟烷基乙烯基醚、尤其是全氟甲基乙烯基醚，六氟丙烯和全氟-(2,2-二甲基-1,3-二氧杂环戊烯)中选定。根据共聚单体份额的不同，全氟化的热塑性塑料是所谓的能熔融加工的PTFE(共聚单体份额最多为大约3重量百分比)、PFA(大于大约3重量百分比的全氟烷基乙烯基醚作为共聚单体)、MFA(大于大约3重量百分比的全氟甲基乙烯基醚作为共聚单体)或FEP(大于大约3重量百分比的六氟丙烯作为共聚单体)。
密封体的材料也可以包含由上述全氟化的热塑性塑料中的不同的塑料构成的混合物作为主要成分。
密封体的材料包含一种或多种塑料作为主要成分，也就是说，这些塑料构成了材料的一多半。密封体的材料优选包含75重量百分比或更多的至少一种全氟化的热塑性塑料。密封体尤其也可以基本上完全由至少一种全氟化的热塑性塑料形成。
替选地可以设置，密封体的材料还包含一种或多种填充剂，尤其是颜料、减少摩擦的添加物和/或提升耐热性的添加物，像例如炭黑或硫化钼。
根据密封体的材料包含能熔融加工的全氟化的塑料还是不能熔融加工的全氟化的塑料，提供了用于制造根据本发明的密封圈的不同的可能性。根据本发明的一种实施方式，通过以切削的方式制造密封体并紧接着置入弹簧元件来制造密封圈。该方法对于所有合适的塑料材料而言都可以实现，但是相对比较贵。
因此，优选的是，密封圈通过用密封体的材料对弹簧元件进行注塑包封来制造。这种仅在使用能熔融加工的全氟化的塑料的情况下才能实现的制造方法允许了密封圈的更高效且进而节约成本的生产。此外，该制造方法具有如下优点：密封体与由钢制成的弹簧元件之间的最优的形状锁合。
本发明还涉及一种用于在具有涡轮增压器的内燃机中控制增压压力的压力调节阀，其中，压力调节阀包括根据本发明的密封圈。
密封圈要么固定在压力调节阀的阀缸上，要么固定在压力调节阀的阀活塞上，其中，在第一种情况下是靠内的密封(靠内的密封面是动态密封面)，而在第二种情况下是靠外的密封(靠外的密封面是动态密封面)。
在根据本发明的压力调节阀中，阀活塞按照适宜方式能以电磁方式在阀缸中运动，也就是说，根据本发明的压力调节阀是电磁阀。
对根据本发明的压力调节阀的另外的优点和优选实施方式已经与根据本发明的密封圈相关联地进行了描述。
附图说明
结合下面的实施例参考附图详细阐述了本发明的这些优点和另外的优点。其中：
图1示出根据本发明的密封圈的实施例的示意性横截面图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的密封圈的实施例的示意性横截面图，该密封圈整体以10来标示。密封圈10包括两个部件，即，由具有一种或多种全氟化的热塑性塑料(作为主要成分)的材料制成的密封体12以及由钢制成的弹簧元件14，其中，两个部件12和14关于缸轴线16旋转对称地构造。
密封体12具有基本上呈U形的横截面型廓并带有顶部区域18和两个密封唇20和22，这些密封唇从顶部区域18出发带大约15°的张开角地近似沿缸轴线16的方向延伸。在此，面向缸轴线16的靠内的密封唇20具有靠内的密封面24，并且背离缸轴线16的密封唇22具有靠外的密封面26。当密封圈10在压力调节阀中固定在阀缸上时，靠外的密封面26充当静态密封面，而靠内的密封面24与作为配合面的阀活塞的外侧一起充当动态密封面。在密封圈10固定在阀活塞上时，情况则相反，靠外的密封面26与作为配合面的阀缸的内侧一起充当动态密封面。基于密封圈10的构造，两种变型方案都是可行的。
由钢制成的弹簧元件14作为密封圈10的第二部件同样具有基本上呈U形的横截面型廓，并且形状锁合地容纳在密封体12的在两个密封唇20与22之间形成的槽28中，从而使得该弹簧元件直接抵靠在密封唇20和22面向彼此的表面30和32上。
密封体12和弹簧元件14按如下方式彼此协调，即，在密封圈10的安装状态中仅通过弹簧元件14进行对密封圈10的预紧并且将密封唇20和22按压到相应的配合面上。在此，密封体12的横截面型廓按如下方式设计，即，使得在理想情况下不仅靠内的密封面24而且靠外的密封面26都仅沿着一条线抵靠在相应的平行于缸轴线16延伸的配合面上，其中，该线沿着密封圈10的靠内的密封面24限定了内圆周34，而沿着靠外的密封面26限定了外圆周36。由此实现了，在相应的动态密封面的情况下，在阀活塞在阀缸中沿着缸轴线16运动时的非常小的摩擦，这又能够实现通过压力调节阀对增压压力的尽可能精确的控制。
在图1中示例性示出的密封圈10具有大约24mm的内直径、大约30mm的外直径和大约3mm的沿着缸轴线16的高度。密封体12的材料厚度在顶部区域中为大约0.5mm，而在密封唇20和22的最薄的区域中为大约0.2mm。
在该实施例中，形成密封体12的全氟化的热塑性塑料是能熔融加工的PTFE，即，具有在大约0.5至1重量百分比的范围内的共聚单体份额的TFE(四氟乙烯)共聚物，其中，共聚单体尤其是全氟丙基乙烯醚。该材料的能熔融加工性能够实现密封圈10的通过用塑料材料对弹簧元件14进行注塑包封的高效且价格低廉的制造，该材料的热稳定性和化学稳定性与均聚合的PTFE的热稳定性和化学稳定性类似。
使用高耐腐蚀的钢、尤其是材料号为1.4310的弹簧钢作为用于弹簧元件14的材料。
在按常规在用于在具有涡轮增压器的内燃机中控制增压压力的压力调节阀中使用的情况下，密封圈10的特征尤其在于，密封体12在大约-40℃至180℃的宽温度范围内具有高形状稳定性，并且可以通过弹簧元件14实现将密封唇20和22基本上恒定地、相对轻微地按压到相应的配合面上，并且由于密封面24和26的全氟化的塑料材料和在理想状况下仅呈线形的接触而伴随非常小的摩擦。此外，全氟化的塑料材料具有相对于由燃料和机油造成的影响的高化学耐受性。
利用根据上述实施例的密封圈和由聚甲醛(POM)制成的阀活塞进行的试验证实：对于活塞沿着密封圈的靠内的密封面以5mm/min进行轴向移动来说只需要不足1牛的移动力。
附图标记列表
10 密封圈
12 密封体
14 弹簧元件
16 缸轴线
18 顶部区域
20 靠内的密封唇
22 靠外的密封唇
24 靠内的密封面
26 靠外的密封面
28 槽
30 20的表面
32 22的表面
34 10的内圆周
36 10的外圆周
Claims (18)
1.密封圈(10)在用于在具有涡轮增压器的内燃机中控制增压压力的压力调节阀中的用途，其中，所述密封圈(10)包括：
-关于缸轴线(16)旋转对称的密封体(12)，所述密封体由如下材料制成，所述材料包含一种或多种能熔融加工的全氟化的热塑性塑料作为主要成分，其中，所述密封体(12)具有基本上呈U形的横截面型廓并具有顶部区域(18)和两个密封唇(20、22)，所述密封唇从所述顶部区域(18)出发彼此平行或带一定张开角地至少沿所述缸轴线(16)的方向延伸，并且其中，所述密封体(12)具有0.15mm至0.6mm的材料厚度；以及
-关于所述缸轴线(16)旋转对称的弹簧元件(14)，所述弹簧元件由钢制成并且具有基本上呈U形的横截面型廓，其中，所述弹簧元件(14)按如下方式布置在所述密封体(12)的密封唇(20、22)之间，即，使所述弹簧元件直接抵靠在所述密封唇的面向彼此的表面(30、32)上，其中，所述密封圈(10)通过用所述密封体(12)的材料对所述弹簧元件(14)进行注塑包封来制造。
2.根据权利要求1所述的用途，其中，面向所述缸轴线(16)的靠内的密封唇(20)具有面向所述缸轴线(16)的靠内的密封面(24)，而背离所述缸轴线(16)的靠外的密封唇(22)具有背离所述缸轴线(16)的靠外的密封面(26)，并且其中，在所述密封圈(10)的安装状态中，一个密封面充当静态密封面，而另一个密封面充当动态密封面。
3.根据权利要求2所述的用途，其中，所述密封体(12)的横截面型廓按如下方式构造，即，使所述靠内的密封面(24)仅沿着一条限定了所述密封圈(10)的内圆周(34)的线抵靠在与所述缸轴线(16)平行的配合面上。
4.根据权利要求2或3所述的用途，其中，所述密封体(12)的横截面型廓按如下方式构造，即，使所述靠外的密封面(26)仅沿着一条限定了所述密封圈(10)的外圆周(36)的线抵靠在与所述缸轴线(16)平行的配合面上。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的用途，其中，两个密封唇(20、22)之间的张开角在0°至30°的范围内。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的用途，其中，两个密封唇(20、22)之间的张开角在10°至20°的范围内。
7.根据权利要求5所述的用途，其中，所述张开角的角平分线平行于所述缸轴线(16)延伸。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的用途，其中，所述密封体(12)具有20mm至30mm的内直径、24mm至36mm的外直径和2.5mm至4mm的高度。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的用途，其中，所述密封体(12)包含具有多于0.5重量百分比的共聚单体份额的TFE共聚物作为主要成分。
10.根据权利要求9所述的用途，其中，所述共聚单体从全氟烷基乙烯基醚，六氟丙烯和全氟-(2,2-二甲基-1,3-二氧杂环戊烯)中选定。
11.根据权利要求10所述的用途，其中，使用全氟甲基乙烯基醚作为全氟烷基乙烯基醚。
12.根据权利要求9所述的用途，其中，所述能熔融加工的全氟化的热塑性塑料是能熔融加工的PTFE、PFA、MFA或FEP。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的用途，其中，所述密封体(12)的材料包含75重量百分比或更多的至少一种能熔融加工的全氟化的热塑性塑料。
14.根据权利要求13所述的用途，其中，所述密封体(12)完全由所述至少一种能熔融加工的全氟化的热塑性塑料形成。
15.根据权利要求1至3中任一项所述的用途，其中，所述密封体(12)的材料还包含一种或多种填充剂。
16.根据权利要求1至3中任一项所述的用途，其中，所述密封体(12)的材料还包含颜料、减少摩擦的添加物和/或提升耐热性的添加物。
17.根据权利要求1所述的用途，其中，所述密封圈(10)固定在所述压力调节阀的阀缸上，或者固定在所述压力调节阀的阀活塞上。
18.根据权利要求17所述的用途，其中，所述阀活塞能以电磁方式在所述阀缸中运动。
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