用于内燃发动机的曲轴密封单元的制作方法

1.本发明涉及一种用于内燃发动机的曲轴密封单元和一种配备有这种曲轴密封单元的内燃发动机。


背景技术：

2.往复式内燃发动机配备有曲轴，该曲轴通常容纳在发动机缸体底部的曲轴箱中。曲轴被配置成将发动机气缸内的活塞的往复运动转换成旋转运动，该旋转运动将经由曲轴凸缘传递到待驱动的部件。为此，曲轴突出穿过曲轴箱壁中的开口，使得曲轴凸缘位于曲轴箱外部，从而构成可从发动机外部接近的结构界面，以联接到待驱动的部件。
3.为了防止曲轴箱中存在的如润滑油的流体通过曲轴箱壁中的开口排出，这种发动机配备有设置在曲轴与开口之间的曲轴密封件。根据常见的配置，曲轴密封件设置为迷宫式密封件的形式。
4.一般而言，迷宫式密封件指的是非接触式轴密封件，其密封效果是基于提供曲折的路径，并因此在流体通过曲轴与壁中的开口之间的间隙时引起流体的高流动阻力。通常，为了实现这种效果，迷宫式密封件包括多个径向延伸的齿或槽，这些齿或槽紧紧地压在对应设计的结构内。通过部件之间的这种互锁，流体必须通过长且曲折的路径，这显著地减小了其在流过其中时的动能，从而防止了流体的泄漏。
5.对于如曲轴的旋转轴上的迷宫式密封件，通过迷宫式密封的路径必须具有相对小的间隙，以便确保适当的密封效果。这需要精确的制造并且因此可能是昂贵的。然而，在发动机的运行过程中，这些密封件受疲劳影响，并且因此随着发动机的使用寿命的延长，所提供的密封效果可能降低。


技术实现要素：

6.从现有技术出发，本发明的目的是提供一种用于内燃发动机的改进的曲轴密封单元，该曲轴密封单元尤其提供改进的密封效果。此外，本发明的目的是提供一种配备有这种曲轴密封单元的内燃发动机。
7.这些目的通过独立权利要求的主题来解决。在本说明书、附图以及从属权利要求中阐述了优选实施例。
8.因此，提供了一种用于内燃发动机的曲轴密封单元。曲轴密封单元包括：密封件，在曲轴密封单元安装到发动机的安装状态下，该密封件被配置成在发动机的曲轴与曲轴箱之间提供密封；以及风扇元件，该风扇元件被配置成在曲轴箱中安装到曲轴。
9.此外，提供了一种配备有这种曲轴密封单元的内燃发动机。
10.由于所提出的内燃发动机包括上述曲轴密封单元，因此结合本公开中的曲轴密封单元描述的技术特征也可以涉及并应用于所提出的内燃发动机，反之亦然。
附图说明
11.当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述将更容易地理解本公开，其中：
12.图1示意性地示出了沿穿过曲轴密封单元的纵向截面的局部视图，该曲轴密封单元在发动机的曲轴与气缸曲轴箱之间安装到内燃发动机；
13.图2示意性地示出了用在图1所示的曲轴密封单元中的风扇元件的透视图；以及
14.图3示意性地示出了图2的放大截面b。
具体实施方式
15.在下文中，将参考附图更详细地解释本发明。在附图中，相同的元件由相同的附图标记表示，并且可以省略其重复描述以避免冗余。
16.图1描绘了以往复式发动机的形式设置的内燃发动机10(在下文中也称为“发动机”)的纵向截面。发动机10旨在并被配置成安装在船舶或发电厂中，并可用作主发动机或辅助发动机。
17.发动机10包括多个气缸(未示出)，例如十二个或十六个或十八个气缸，这些气缸容纳在发动机缸体中并且根据直列式配置或任何其他已知的气缸配置来布置。每个气缸设置有由容纳在气缸中的活塞界定的燃烧室。活塞被配置成在气缸内往复移动和轴向移动，并通过活塞连杆联接到曲轴12。在发动机10的运行期间，如柴油或天然气的燃料和空气被供应到每个气缸中并在每个气缸中被点燃，以便产生高温和高压气体，这些气体向对应活塞施加力并因此轴向地移动活塞，从而使曲轴12旋转。这样，化学能转变成机械能。
18.为了将由此产生的机械能传递到待驱动的部件，例如传递到船的螺旋桨(未示出)，曲轴12包括曲轴凸缘14，该曲轴凸缘构成被配置成联接到待由发动机10驱动的部件的结构接口。
19.曲轴12容纳在曲轴箱16中，曲轴箱也称为气缸曲轴箱。具体地，在安装有曲轴箱16的发动机的安装状态下，该曲轴箱位于发动机10的底部，并安装到或集成到发动机缸体中。曲轴箱16在其底部形成容纳发动机润滑油的油槽。
20.曲轴凸缘14位于曲轴箱16外部，以确保良好的可接近性并便于与待驱动的部件联接。为此，曲轴12突出穿过曲轴箱壁20中的开口18，使得曲轴凸缘14位于曲轴箱16外部。这样，曲轴凸缘14可从发动机10外部接近以联接到待驱动的部件。具体地，开口18设置在曲轴箱16的端盖24中，该端盖可释放地安装到曲轴箱。
21.这种内燃发动机10及其部件的基本和一般结构和功能是本领域技术人员公知的，并且因此不作进一步说明。相反，曲轴密封单元26(在本公开中也被称为“密封单元”)在下文中被提出，该曲轴密封单元与本公开相互关联。
22.为了防止润滑油通过开口18(即通过曲轴凸缘14与开口18之间的间隙)从曲轴箱16的内部22意外排出，设置了密封单元26。密封单元26被配置成从发动机10的外部密封曲轴箱16的内部22，以防止经由曲轴12与曲轴箱16之间的间隙发生流体(例如存在于曲轴箱16中的润滑油或气体)的意外交换。
23.密封单元26包括密封件28，其在曲轴12与曲轴箱16之间，即在曲轴凸缘16与曲轴箱16的端盖24之间提供密封。换句话说，在图1所示的安装状态下，其中密封单元26安装到发动机10，密封件28在曲轴12与曲轴箱16之间提供密封。具体地，密封件28以迷宫式密封件
的形式设置，该迷宫式密封件被设置在开口18的内表面或壁与曲轴12(特别是曲轴凸缘14)的外表面之间并且由该内表面或壁与该外表面构成。如图1所示，曲轴12的外表面，特别是曲轴凸缘14设置有多个齿或槽，这些齿或槽围绕曲轴12径向地和周向地延伸并且沿着曲轴12的纵向轴线x彼此相邻地布置。端盖24处的开口18的内表面对应地设计成曲轴12处的多个齿或槽，以便互锁并由此形成流体通过曲轴12(即曲轴凸缘14)与设置在曲轴箱16的端盖24中的开口18之间的间隙的曲折路径。
24.端盖24设置有内前表面30，当从沿纵向轴线x从曲轴凸缘14指向曲轴箱16的内部22的方向观察时，该内前表面被布置在密封件28之后。前表面30围绕曲轴12的纵向轴线x周向地并且在径向方向上延伸。此外，前表面30面向曲轴箱16的内部22。具体地，在所示配置中，前表面30垂直于纵向轴线x延伸。换句话说，前表面30的表面法线平行于纵向轴线x。这样，前表面30构成位于垂直于纵向轴线x延伸的平面内的环形表面。为了提供这样的结构配置，端盖24包括周向延伸的侧壁32，该侧壁径向地界定开口18，其中在该侧壁的内端处设置前表面30。具体地，在如图1所描绘的穿过端盖24的纵向截面中，侧壁32设置有l形轮廓。
25.根据替代配置，端盖24可以被设置成使得前表面30的表面法线可以相对于纵向轴线x倾斜，特别是使得当从曲轴箱16的内部22观察时，前表面30沿着纵向轴线x朝向曲轴凸缘14渐缩，或反之亦然。
26.此外，密封单元26设置有可释放地安装到曲轴12的风扇元件34。在所示的配置中，风扇元件34以围绕曲轴12安装的风扇轮的形式设置。具体地，风扇元件34围绕曲轴箱12安装，使得风扇元件34定位在曲轴箱16中，即在曲轴箱16的内部22中。换句话说，在密封单元26的安装状态下，风扇元件34位于曲轴箱16内。
27.如图1所示，风扇元件34通过多个固定装置(即螺钉)固定地安装到曲轴凸缘14的内前端，即朝向曲轴箱16的内部22定向的内前端。即，风扇元件34以扭矩传递方式安装到曲轴凸缘14，使得风扇元件34在发动机10的运行期间与曲轴12一起旋转。
28.具体地，曲轴凸缘14的内前端设置有与风扇元件34紧密接触的环形表面。在环形表面内的区域内，曲轴凸缘14的内前端连接并固定到曲轴12的驱动轴36。因此，风扇元件34设置在曲轴凸缘14与曲轴12的驱动轴36之间的连接区域中。更具体地，风扇元件34围绕曲轴凸缘14与曲轴12的驱动轴36之间的连接设置。通过这种配置，所提出的风扇元件34能够可释放地安装到曲轴12。此外，在安装状态下，曲轴12的纵向轴线x与风扇元件34的纵向轴线重合。
29.风扇元件34布置在密封件28的前面，使得其面向密封件28的内侧。换句话说，风扇元件34沿着曲轴12的纵向轴线x布置成紧邻密封件28的内侧。此外，风扇元件34布置在端盖24的前表面30的前面，使得前表面30和风扇元件34(即其风扇叶片38)彼此面对，即布置成彼此相对。
30.风扇元件34被设计成使得在与曲轴12一起绕其纵向轴线旋转时，风扇元件34(即通过其风扇叶片38)在风扇元件34之间产生压力梯度。也就是说，在风扇元件34的面向密封件28的第一侧上，占主导的压力水平小于在风扇元件34的相反的第二侧上(即背离密封件28的第二侧上)占主导的压力水平。具体地，风扇元件34被配置成使得在围绕纵向轴线x旋转时，风扇元件34(即借助于其风扇叶片38)使密封件28的内侧经受压降。换句话说，风扇元件34在旋转时产生负压，也称为在压力下或真空，负压在风扇元件34的第一侧占主导，并且
因此在密封件28的内侧占主导，即面对曲轴箱16的内部22的内侧。在本公开的上下文中，术语“负压”、“在压力下”或“真空”是指与曲轴箱16内占主导的平均压力水平相比更低的压力水平。
31.由于在与曲轴12一起旋转时在风扇元件34之间产生的压力梯度，产生了具有流动方向的流体流，该流动方向从风扇元件34的面对密封件28的第一侧通过风扇元件34引导到其第二侧。换句话说，由此引起的流体流从密封件28的内侧流过风扇元件34。
32.为了在发动机10的运行期间(即，在旋转致动时)在风扇元件34之间引起所述压力梯度，风扇元件34及其风扇叶片38设置有一种几何配置，该几何配置在下文中参考图2进行描述，图2示出了风扇元件34的透视图。对于本领域技术人员显而易见的是，图2中所描绘的风扇元件34指的是实现上述有利效果的一个示例性实施例，并且本公开不限于该特定配置。
33.在所示的配置中，风扇元件34被设置为盘形部件，特别是由金属片制成的环形盘，其中风扇叶片38可以通过切割和成形过程来生产。如图2所示，风扇元件34可被细分成两个相邻的周向带部分，即内带部分和外带部分。
34.内带部分，即径向向内设置的内带部分设置有多个按照规则图案布置的安装凹部40。也就是说，四个安装凹部40的组42围绕纵向轴线x均匀地周向分布，其中每个组包括四个安装凹部40，这些安装凹部彼此等距地布置。安装凹部40被配置成容纳用于将风扇元件34安装到曲轴12的固定装置，即螺钉。
35.在外带部分中，风扇元件34设置有多个风扇叶片38，这些风扇叶片围绕纵向轴线x均匀地周向分布。每个风扇叶片38被设计成使得在风扇元件34的安装状态下，它沿着纵向轴线x在从曲轴箱16的内部22指向曲轴凸缘14的方向上向外弯曲。换句话说，每个风扇叶片38被设计成朝向端盖24的前表面30向外弯曲。照此，每个风扇叶片38包括暴露的突起端或突出端44和相对的对接端46，风扇叶片38经由该对接端安装到风扇元件34的基体，如图3所描绘。在所示配置中，当沿图2中箭头a所示的风扇叶片38的旋转方向观察时，风扇叶片38的突起端44布置在其对接端46之后。
36.密封单元26还包括流量控制元件48，该流动控制元件被配置成偏转和引导由风扇元件34产生并通过该风扇元件的流体流。在所示配置中，流动控制元件48围绕风扇叶片38周向布置并因此径向邻近这些风扇叶片，并沿纵向轴线x延伸。这样，流动控制元件48具有中空圆柱形形状。换句话说，流动控制元件48具有套筒形设计。
37.流动控制元件48被配置成使由风扇元件34产生并通过该风扇元件的流体流偏转，使得流体流在平行于纵向轴线x的流动方向上在风扇元件34的上游流动。在本公开的上下文中，术语“上游”是指在风扇元件34的区域中的流动流的流动方向。为此，流动控制元件48从风扇元件34沿着纵向轴线x在指向曲轴凸缘14(即指向发动机10的外部)的方向上延伸。这样，流动控制元件48沿着纵向轴线x与密封件28的至少一部分重叠。更具体地，流动控制元件48与端盖24的侧壁32的至少一部分重叠。此外，流动控制元件48沿纵向轴线x与风扇元件34重叠。
38.通过这种配置，流动控制元件48在风扇元件34和密封件28的区域中形成流动通道50，该流动通道界定并限定风扇元件34上游的流体流的流道。流动通道50设置在流动控制元件48与密封件28(特别是端盖24的侧壁32)之间。流动控制元件48构成流动通道50的外侧
壁，其中端盖24的侧壁32构成流动通道50的内侧壁。
39.流动控制元件48在风扇元件34的径向外端处牢固地固定到风扇元件34。因此，当曲轴12被驱动时，流动控制元件48与风扇轮一起旋转。在所示的配置中，流动控制元件48可以焊接到风扇元件34上。替代地，风扇元件34和流动控制元件48可以被设置为一个整体部分。
40.对于本领域技术人员显而易见的是，这些实施例和项目仅描绘了多种可能性的实例。因此，这里所示的实施例不应被理解为形成对这些特征和配置的限制。可以根据本发明的范围选择所述特征的任何可能的组合和配置。这特别是关于以下可选特征的情况，这些可选特征可以以任何技术上可行的组合与之前提到的一些或全部实施例、项目和/或特征组合。
41.因此，可以提供一种用于内燃发动机的曲轴密封单元。曲轴密封单元可包括密封件，在曲轴密封单元安装到发动机的安装状态下，该密封件被配置成在发动机的曲轴与曲轴箱之间提供密封。曲轴密封单元还可包括风扇元件，该风扇元件被配置成在曲轴箱中安装到曲轴上。换句话说，在风扇元件安装到曲轴箱的状态下，风扇元件设置在曲轴箱内，即，设置在容纳曲轴的曲轴箱的内部。
42.在本公开的上下文中，术语“风扇元件”是指被配置成通过作用在流体上而将旋转运动或动力转换成平移推力的部件或机器元件。
43.当安装到曲轴时，风扇元件可被配置成与曲轴一起旋转。换句话说，风扇元件可以扭矩传递方式安装到曲轴。照此，风扇元件可以被配置成在与曲轴一起旋转时对存在于曲轴周围的流体起作用，由此对该流体施加平移推力，该平移推力可以产生沿着密封件的流体流动。由于这种流体流动，可以引起密封件内侧处的压降，即在朝向曲轴箱的内部处产生压降。
44.在本公开的上下文中，已经发现，流体通过曲轴与曲轴箱之间的密封件从曲轴箱内部泄漏的量取决于作用在密封件之间(即密封件的内侧和外侧端部之间)的压力差，并因此取决于密封件内侧处的主导压力。通过设置有风扇元件，该风扇元件旨在并且被配置成在曲轴箱中安装到曲轴，所提出的曲轴密封单元配备有这样一种装置，其用于减小作用在密封件内侧端上的压力，从而减小当流体进入密封件内侧端时作用在流体上的力。这样，可以减少流体从曲轴箱内部通过密封件的泄漏。
45.所提出的曲轴密封单元旨在并且被配置成用于内燃发动机中，特别是用于船舶或发电厂中的大型发动机，例如主发动机或辅助发动机。然而，本公开不限于这些应用。
46.所提出的曲轴密封单元可以被配置成使得在安装状态下，风扇元件被布置成紧邻密封件的内侧，特别是沿着曲轴的纵向轴线。也就是说，当沿着纵向轴线在从密封件的内侧指向曲轴箱内部的方向上观察时，风扇元件，特别是其风扇叶片被设置在密封件之后。换句话说，曲轴密封单元可以被配置成使得在安装状态下，风扇元件，特别是其风扇叶片面向密封件的内侧。优选地，风扇元件安装到曲轴，使得在风扇元件与密封件之间存在间隙。
47.在进一步的发展中，风扇元件可以被配置成在与曲轴一起旋转时在该风扇元件之间产生压力梯度。具体地，风扇元件可以被配置成产生压力梯度，使得风扇元件的面向密封件的一侧上的主导压力与风扇元件的相对侧(即，被布置成与该第一侧相对)上的另一主导压力相比更小。
48.此外，风扇元件可以被配置成在与曲轴一起旋转时使密封件的内侧经受压降。换句话说，当风扇元件与曲轴一起旋转致动时，密封件的内侧经受由风扇元件的旋转动作引起的压降。为此，风扇元件可以被配置成在与曲轴一起旋转时产生流体流，该流体流从密封件的内侧流动穿过风扇元件，特别是其风扇叶片。
49.具体地，风扇元件可以被配置成安装到曲轴，使得曲轴的纵向轴线与风扇元件的纵向轴线(即，延伸穿过风扇元件的重心)重合。在进一步的发展中，风扇元件可以被配置成安装到曲轴凸缘。具体地，风扇元件可以被配置成安装到曲轴凸缘的内前端，该内前端朝向曲轴箱的内部定向并且曲轴的驱动轴被安装到该内前端。
50.根据一种配置，风扇元件可以以风扇轮的形式设置。风扇叶轮可以被配置成围绕曲轴并且围绕该曲轴的纵向轴线安装。
51.在进一步的发展中，曲轴密封单元可以配备有流动控制元件。流动控制元件可以被配置成以所需方式影响流体流的流动方向。因此，流动控制元件可以被配置成引导流体流。更具体地，流动控制元件可以被配置成形成流动通道，该流动通道可以围绕密封件布置以便将流体流从密封件引导至风扇元件。
52.流动控制元件可以安装到风扇元件。此外，流动控制元件可以具有中空圆柱形形状，其纵向轴线可以与曲轴的纵向轴线重合。
53.在进一步的发展中，密封件可以是迷宫式密封件。为此，密封件可以沿着曲轴的纵向轴线在曲轴(特别是曲轴凸缘)与曲轴箱之间延伸。更具体地，密封件可以设置在曲轴箱的侧壁与曲轴(特别是曲轴凸缘)之间。在这种配置中，侧壁可以具有内前端，即，该内前端朝向曲轴箱的内部。侧壁的内前端可以面向风扇元件，即其风扇叶片，并且可以平行于风扇元件布置。
54.此外，可以提供一种包括如上所述的曲轴密封单元的内燃发动机。
55.工业实用性
56.参考附图及其所附描述，提出了一种用于内燃发动机的曲轴密封单元和配备有这种曲轴密封单元的内燃发动机。如上所述的曲轴密封单元可以适用于内部发动机，例如用在船舶或发电厂中。所提出的曲轴密封单元可以代替传统的曲轴密封件并且可以用作替换或改进部分。通过设置有风扇元件，该风扇元件旨在并且被配置成在曲轴箱中安装到曲轴，所提出的曲轴密封单元配备有这样一种装置，其用于减小作用在曲轴密封件的内侧端上的压力，从而减小当流体进入密封件的内侧端时作用在流体上的力。这样，与已知配置相比，可以减少流体从曲轴箱内部通过曲轴密封件的泄漏。

技术特征：
1.一种用于内燃发动机(10)的曲轴密封单元(26)，包括：密封件(28)，在所述曲轴密封单元(26)安装到所述发动机(10)的安装状态下，所述密封件(28)被配置成在所述发动机(10)的曲轴(12)与曲轴箱(16)之间提供密封；以及风扇元件(34)，所述风扇元件(34)被配置成在所述曲轴箱(16)中安装到所述曲轴(12)。2.根据权利要求1所述的曲轴密封单元，其中所述风扇元件(34)被配置成在所述安装状态下与所述曲轴(12)一起旋转。3.根据权利要求1或2所述的曲轴密封单元，所述曲轴密封单元被配置成使得在所述安装状态下，所述风扇元件(34)沿着所述曲轴(12)的纵向轴线(x)被布置成紧邻所述密封件(28)的内侧。4.根据权利要求1至3中任一项所述的曲轴密封单元，所述曲轴密封单元被配置成使得在所述安装状态下，所述风扇元件(34)面向所述密封件(28)的所述内侧。5.根据权利要求1至4中任一项所述的曲轴密封单元，其中所述风扇元件(34)被配置成在与所述曲轴(12)一起旋转时在所述风扇元件(34)之间产生压力梯度，并且其中所述风扇元件(34)的面对所述密封件(28)的一侧上的主导压力与所述风扇元件(34)的相对侧上的另一主导压力相比更小。6.根据权利要求1至5中任一项所述的曲轴密封单元，其中所述风扇元件(34)被配置成在与所述曲轴(12)一起旋转时使所述密封件(28)的所述内侧经受压降。7.根据权利要求1至6中任一项所述的曲轴密封单元，其中所述风扇元件(34)被配置成在与所述曲轴(12)一起旋转时产生从所述密封件(28)的所述内侧流过所述风扇元件(34)的流体流。8.根据权利要求1至7中任一项所述的曲轴密封单元，其中所述风扇元件(34)被配置成安装到所述曲轴(12)，使得所述曲轴(12)的所述纵向轴线(x)与所述风扇元件(34)的纵向轴线重合。9.根据权利要求1至8中任一项所述的曲轴密封单元，其中所述风扇元件(34)被配置成安装到曲轴凸缘(14)。10.根据权利要求1至9中任一项所述的曲轴密封单元，其中所述风扇元件(34)以风扇轮的形式设置，所述风扇轮被配置成围绕所述曲轴(12)安装。11.根据权利要求1至10中任一项所述的曲轴密封单元，还包括流动控制元件(48)，所述流动控制元件(48)形成围绕所述密封件布置的流动通道(50)，以将流体流从所述密封件(28)引导至所述风扇元件(34)。12.根据权利要求1至11中任一项所述的曲轴密封单元，其中所述密封件(28)以迷宫式密封件的形式设置。13.根据权利要求1至12中任一项所述的曲轴密封单元，其中所述密封件(28)被配置成设置在所述曲轴(12)与所述曲轴箱(16)的侧壁(32)之间，并且其中所述侧壁(32)具有面向所述风扇元件(34)的风扇叶片(38)的内前端。14.一种内燃发动机(10)，包括根据权利要求1至13中任一项所述的曲轴密封单元(26)。

技术总结
本公开涉及一种用于内燃发动机(10)的曲轴密封单元(26)。曲轴密封单元(26)包括：密封件(28)，在曲轴密封单元(26)安装到发动机(10)的安装状态下，该密封件(28)被配置成在发动机(10)的曲轴(12)与曲轴箱(16)之间提供密封；以及风扇元件(34)，该风扇元件(34)被配置成在曲轴箱(16)中安装到曲轴(12)。轴箱(16)中安装到曲轴(12)。轴箱(16)中安装到曲轴(12)。


技术研发人员：亚伯拉罕 S
受保护的技术使用者：卡特彼勒发动机有限及两合公司
技术研发日：2021.09.30
技术公布日：2023/6/12