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Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für ein Ventil einer Verbrennungskraftmaschine mit einer radial äußeren feststehenden hohlzylindrischen Wandfläche, einer radial inneren translatorisch bewegbaren Zylinderwandfläche, einem Lippendichtring, der ein Trägerteil sowie einen sich vom Trägerteil erstreckenden radial inneren Schenkel, dessen Ende gegen die Zylinderwandfläche anliegt und einen sich vom Trägerteil erstreckenden radial äußeren Schenkel aufweist, dessen Ende gegen die hohlzylindrische Wandfläche anliegt, so dass der Lippendichtring einen inneren Raum des Ventils von einem äußeren Raum trennt und einer feststehenden sich radial erstreckenden Wandfläche, die die innere Zylinderwandfläche umgibt und gegen die der Trägerteil des Lippendichtringes axial anliegt.
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Lippendichtringe zwischen einem beweglichen Kolben und einem feststehenden Hohlzylinder werden beispielsweise bei Schubumluftventilen an Turboladern benutzt, um einen inneren Raum des Ventils, in dem beispielsweise der Druck der Druckseite des Kompressors des Turboladers anliegt von einem äußeren Raum zu trennen, in dem der Druck der Saugseite des Kompressors anliegt.
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Eine solche Dichtungsanordnung ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 011 938 B3 bekannt, wobei der darin offenbarte Lippendichtring zwei im gleichen Winkel zur Zylinderachse angeordnete Schenkel aufweist, von denen der radial innere Schenkel kürzer ausgeführt ist. Auch die
EP 1 941 138 B1 offenbart einen derartigen Dichtungsring.
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Diese Dichtringe sind häufig aus PTFE hergestellt, da dieses Material sich insbesondere für Hochtemperaturanwendungen geeignet ist, also auch bei Temperaturen von 250°C eingesetzt werden kann. Gleichzeitig bietet dieses Material besonders gute Gleiteigenschaften, so dass es sich besonders gut für eine Abdichtung zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Teilen eignet.
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Nachteilig an diesem Material ist jedoch seine geringe Rückfedereigenschaft und geringe Wärmeformbeständigkleit bei Temperaturen über 150°C. Seine Steifigkeit verringert sich im Vergleich zu Normalumgebungstemperaturen bei Einsatztemperaturen von etwa 100°C auf etwa die Hälfte bei etwa 150°C sogar auf etwa ein Drittel des üblichen Wertes.
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Daher werden zum Beispiel Stahlfedern in die PTFE-Dichtringe eingebaut, die nach dem Verformen sicherstellen sollen, dass die Dichtung wieder ihre ursprüngliche Form erhält.
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So wird in der
WO 94/08159 A1 ein Dichtring mit einer nach radial innen weisenden Dichtlippe zum radialen Abdichten zweier Zylinderflächen vorgeschlagen, bei dem ein Haltering aus einem formbeständigen Werkstoff mit der eigentlichen Dichtung aus PTFE fest verbunden wird. Der Haltering weist dabei einen Vorsprung auf, der in eine Nut des Dichtringes greift. Des Weiteren ist am Haltering eine radial innen liegende Anlagefläche ausgebildet, die sich axial und radial etwa in Richtung der inneren Dichtlippe erstreckt und gegen die die Lippe bei höheren Drücken anliegt. Nach radial außen dichtet der Dichtring über eine axial sich erstreckende Dichtfläche.
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Ein derartig aufgebauter Dichtring ist relativ aufwendig herzustellen und weist bei einem Einsatzbereich im Fahrzeug aufgrund der großen Einsatztemperaturspanne im radial äußeren Bereich das Problem von Undichtigkeiten auf, da ein Ausdehnen oder Zusammenziehen des Dichtkörpers aufgrund wechselnder Temperaturen nicht ausgeglichen werden kann.
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Daher stellt sich die Aufgabe, eine Dichtungsanordnung zur Verfügung zu stellen, die in eine hohe Dichtigkeit bei in einem breiten Bereich wechselnden Drücken und Temperaturen über eine lange Lebensdauer sicherstellt. Die Dichtung soll sich entsprechend für einen Einsatz in einem Schubumluftventil eignen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Dichtungsanordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
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Dadurch, dass an der sich radial erstreckenden Wandfläche ein Vorsprung ausgebildet ist, gegen den der innere Schenkel des Lippendichtringes im verformten Zustand des radial inneren Schenkels anliegt, wird das Aufblähen bei hohen Temperaturen und hohen Innendrücken durch ein Reduzieren der wirksamen Schenkellänge reduziert, wodurch eine andauernde plastische Verformung des Dichtringes verhindert wird. Entsprechend federt der Lippendichtring bei Normaldruck wieder in seine Ausgangsstellung zurück. Entsprechend bleibt eine gute Dichtwirkung bei wechselnden Drücken und Temperaturen zwischen –40°C und 180°C über einen langen Zeitraum erhalten. Trotz der guten Dichtwirkung wird eine Leichtgängigkeit des Kolbens erhalten, da das Aufblähen nicht zu einer erhöhten Anlagekraft führen kann. Diesen Vorsprung direkt an einer Wandfläche des abzudichtenden Bauteils anzuordnen verringert die Kosten bei der Herstellung und Montage.
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Vorzugsweise erstreckt sich eine radial innere Fläche des Vorsprungs parallel zur Zylinderwandfläche, wodurch bei ausreichend kleinen Abständen bereits eine geringe Dichtwirkung erreicht wird.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn sich eine radial äußere Fläche des Vorsprungs parallel zum entspannten radial inneren Schenkel des Lippendichtringes erstreckt. Bei dieser Ausführung entsteht eine relativ flächige Anlage des Schenkels bei erhöhtem Innendruck, so dass auch eine gehobene Belastung einzelner Abschnitte des inneren Schenkels entfallen.
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In einer weiterführenden Ausführung ist die radial äußere Fläche des Vorsprungs beabstandet vom entspannten Schenkel des Lippendichtringes angeordnet. Dies führt dazu, dass bei geringeren Temperaturen und Drücken trotz der Stützstruktur die gesamte Dichtschenkellänge zur Erzeugung der Anpresskraft zur Verfügung steht.
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Besonders gute Ergebnisse fassen sich erzielen, wenn die Höhe des Vorsprungs etwa einem Viertel bis zu einer Hälfte der Höhe des radial inneren Schenkels entspricht. Bei dieser Konstruktion wurden über den gesamten Temperatur- und Druckbereich sehr gute Dichtergebnisse erzielt.
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In einer besonderen Ausführung schließt der radial innere Schenkel des Lippendichtringes zur Zylinderachse einen größeren Winkel ein als der radial äußere Schenkel. Der äußere, nicht durch Bewegung der Wandanlagefläche belastete Schenkel, kann sich entsprechend an die Wandfläche anlegen, wenn ein erhöhter Druck vorliegt. Ein so hoher Anpressdruck des Schenkels durch Federwirkung wie an der inneren Seite ist nicht erforderlich.
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Vorzugsweise ist der Lippendichtring aus PTFE hergestellt. Dieses Material hat eine hohe Dauergebrauchstemperatur und sehr gute Gleiteigenschaften.
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In einer weiterführenden Ausführung weist die radial äußere feststehende hohlzylindrische Wandfläche einen Absatz auf, wobei der radial äußere Schenkel des Lippendichtringes in die durch den Absatz gebildete Ausnehmung in der hohlzylindrischen Wandfläche ragt. So kann zuverlässig ein axiales Verschieben des Dichtringes relativ zur umgebenden Hohlzylinderwandfläche vermieden werden. Des Weiteren wird die Dichtigkeit durch Erhöhung des Strömungswiderstandes verbessert.
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Es wird somit eine Dichtungsanordnung geschaffen, mit der bei Drücken von bis zu 2 bar und Temperaturen von –40°C bis 180°C eine zuverlässige Abdichtung zwischen zwei zylinderförmigen beziehungsweise hohlzylinderförmigen Wandflächen sichergestellt wird. Eine derartige Dichtungsanordnung stellt diese Dichtigkeit über einen langen Zeitraum sicher.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt einen Ausschnitt einer Seitenansicht eines Schubumluftventils mit einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung in geschnittener Darstellung im unbelasteten Zustand.
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2 zeigt den Ausschnitt der Seitenansicht des Schubumluftventils mit der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung gemäß 1 im belasteten Zustand mit Innendruck.
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Das ausschnittsweise in den Figuren dargestellte Schubumluftventil 10 besteht aus einem elektromagnetischen Kreis zur Aktuierung eines Ankers 12, der mit einem Verschlusskörper 14 verbunden ist, so dass der Verschlusskörper bei Bestromung des Elektromagneten vom Ventilsitz abgehoben wird. Dies bedeutet für die vorliegende Anwendung als Schubumluftventil, dass die Saugseite eines Verdichters eines Turboladers mit der Druckseite verbunden wird.
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Im nicht bestromten Zustand wird der Verschlusskörper 14 mittels einer Feder 15 auf den Ventilsitz gedrückt, so dass Saug- und Druckseite voneinander getrennt sind. In diesem Zustand wird über Bohrungen im Verschlusskörper 14 der Druck der Druckseite in einen inneren Raum 16 des Schubumluftventils 10 geleitet, wodurch ein Druckgleichgewicht hergestellt wird, was in bekannter Weise ein schnelleres Öffnen des Ventils 10 ermöglicht.
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Der innere Raum 16 des Ventils 10 wird durch ein Gehäuseteil 18 begrenzt, welches den Verschlusskörper 14 radial über einen sich mit Bewegung des Verschlusskörpers 14 ändernden axialen Abschnitt umgibt. Zu einem äußeren Raum 20, in dem im geschlossenen Zustand des Ventils 10 der Druck der Saugseite des Verdichters anliegt, wird der innere Raum 16 durch eine sich radial ersteckende Scheibe 22 begrenzt, durch deren mittlere Öffnung 24 der Verschlusskörper 14 ragt.
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In den Figuren ist zusätzlich ein außenliegendes, das gesamte Schubumluftventil 10 begrenzendes Gehäuseteil 26 zu erkennen, über welches das Ventil 10 an einem Kanal befestigt werden kann. Die Scheibe 22 weist eine ringförmige Erhebung 28 auf, welche zwischen dem außenliegenden Gehäuseteil 26 und einem kurzen sich radial erstreckenden Abschnitt 29 des den inneren Raum 16 begrenzenden Gehäuseteils 18 mittels Clipsen oder Schweißen befestigt ist.
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Um eine Reibung zwischen dem Verschlusskörper 14 und der Scheibe 22 zu vermeiden, ist zwischen der Scheibe 22 und dem Verschlusskörper 14 ein ringförmiger Spalt 30 ausgebildet. Um zu verhindern, dass im geschlossenen Zustand des Ventils 10 über den Spalt 30 eine Kurzschlussströmung aus dem inneren Raum 16, in dem ein höherer Druck herrscht, in den äußeren Raum 20, in dem ein geringerer Druck herrscht, entsteht wird dieser Spalt 30 mittels eines Lippendichtringes 32a abgedichtet.
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Dieser Lippendichtring 32 weist ein Trägerteil 34 auf, mit dem der Lippendichtring 32 auf einer inneren, sich radial erstreckenden Wandfläche 35 der Scheibe 22 aufliegt. Von diesem Trägerteil 34 erstrecken sich zwei Schenkel 36, 38 etwa V-förmig, wobei der radial äußere Schenkel 36 um einen Winkel von etwa 15° zur Zylinderachse geneigt ist und der radial innere Schenkel 38 um etwa 30° zur Zylinderachse geneigt ist. Das Ende des radial äußeren Schenkels 36 liegt gegen eine radial äußere feststehende hohlzylindrische Wandfläche 40 des Gehäuseteils 18 an, an dem unmittelbar angrenzend zum Ende des äußeren Schenkels 36 des montierten Lippendichtringes ein Absatz 42 ausgebildet ist, der ein Verschieben aus dieser Lage bei Bewegung des Verschlusskörpers 14 verhindert. Entsprechend liegt das Ende des Schenkels 36 radial gegen eine durch die Ausbildung des Absatzes 42 entstehende ringförmige Ausnehmung 44 an, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel die hohlzylindrische Wandfläche bildet.
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Das Ende des radial inneren Schenkels 38 liegt gegen eine Zylinderwandfläche 46 des Verschlusskörpers 14 an, welche entsprechend relativ zum Lippendichtring 32 translatorisch bewegt wird. Aus diesem Grund wird der Lippendichtring 32 aus einem besonders gleitfähigen Material wie Polytetrafluorethylen (PTFE) hergestellt. Dieses weist jedoch eine begrenzte Wärmeformbeständigkeit auf, so dass bei häufigem Aufblähen der Dichtung in Phasen wechselnder Druckdifferenzen, die Rückstellkraft deutlich nachlässt, wodurch entweder Undichtigkeiten entstehen oder eine zu hohe Anpresskraft des Dichtringes gewählt werden müsste, was zu höheren notwendigen Öffnungskräften und vor allem längeren Öffnungszeiten aufgrund der Reibungskräfte führen würde.
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Aus diesem Grund ist erfindungsgemäß am radial inneren Ende der Scheibe 22 ein Vorsprung 48 ausgebildet, der sich in Richtung des inneren Raums 16 über etwa ein Drittel der Höhe des Lippendichtringes 32 erstreckt. Eine radial innere Fläche 50 des Vorsprungs 48 erstreckt sich parallel zum Verschlusskörper 14 in Zylinderachse des Ventils 10, so dass der Spalt 30 eine konstante Breite aufweist. Eine radial äußere Fläche 52 des Vorsprungs 48 erstreckt sich ebenso wie der radial innere Schenkel 38 des Lippendichtringes 32 in einem Winkel von etwa 30° zur Zylinderachse, wobei zwischen dem Schenkel 38 und der Fläche 52 im nicht aufgrund einer Druckdifferenz aufgeblähten Zustand des Lippendichtringes 32 ein Spalt 54 vorhanden ist.
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Liegt nun eine Druckdifferenz an wird der Lippendichtring 32 verformt, also aufgebläht. Wie es in 2 dargestellt ist, legt sich der radial innere Schenkel 38 gegen die radial äußere Fläche 52 des Vorsprungs 48 an, wodurch die wirksame Schenkellänge um ein Drittel verkürzt wird. Dies führt jedoch zu einer höheren Steifigkeit dieses Schenkels 38, und verbessert entsprechend auch bei hohen Temperaturen von über 150°C dessen Wärmeformbeständigkeit.
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Durch diese Maßnahme wird eine für jede Situation angepasste Anpresskraft sichergestellt, also eine kurze und weiche Dichtlippe bei hohen Temperaturen und Drücken und eine lange harte Dichtlippe bei geringen Temperaturen und Drücken. Des Weiteren wird ein stärkeres Verformen des inneren Schenkels 38 durch den Vorsprung 48 verhindert, was zu einer erhöhten Reibung am Verschlusskörper 14 und somit zu längeren Öffnungszeiten führen würde.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist. Weitere Anwendungen neben dem beschriebenen Schubumluftventil sind selbstverständlich ebenfalls denkbar. Auch sind konstruktive Änderungen je nach vorhandenen Druckdifferenzen und Temperaturspannen innerhalb des Schutzbereiches möglich. So sollte beispielsweise jeweils ein optimales Verhältnis zwischen der Höhe des Vorsprungs und der Höhe des Lippendichtringes eingestellt werden. Auch die Spreizwinkel des Lippendichtrings sollte an die Verhältnisse angepasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009011938 B3 [0003]
- EP 1941138 B1 [0003]
- WO 94/08159 A1 [0007]
