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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung befassen sich mit Ventilschaftdichtungen und insbesondere mit Ventilschaftdichtungen, die den in Bezug auf die Öl- und Gasdichtigkeit steigenden Anforderungen jüngerer Entwicklungen Rechnung tragen.
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Ventilschaftdichtungen werden in einer Vielzahl von Verbrennungsmotoren, beispielsweise in PKWs, in LKWs oder in Motorrädern verwendet und dienen dazu, das im Ventildeckel zirkulierende Öl, welches zur Schmierung der Nockenwellen oder dergleichen benötigt wird, vom Brennraum und dem Ansaugtrakt fernzuhalten sowie zu verhindern, dass bei geöffneten Ventil unter Überdruck stehendes Abgas bzw. Gasgemisch in den Ventildeckel gelangt.
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Aufgrund des vermehrten Einsatzes von Turbo-Ladern und Kompressoren in PKWs steigen dabei die Anwendungen, in denen der Gasdruck auf der dem Zylinder zugewandten Seite des Ventils bzw. der Ventilschaftdichtung deutlich größer ist als der normalerweise im Ventildeckel vorherrschende Umgebungsdruck. Dadurch besteht zunehmend die Gefahr eines so genannten ”blow-by”, also die Gefahr, dass durch die Ventilführung Gas in den Ventildeckel strömt und damit die Schmierung des Ventils beeinträchtigt wird. Dies kann beispielsweise dadurch verursacht werden, dass bei herkömmlichen Ventilschaftdichtungen, die eine einzige Dichtlippe zum Abdichten des Ventilsitzes bzw. des Ansaug- oder Abgasbereichs gegenüber dem Ölvolumen des Ventildeckels aufweisen, durch den großen Druckunterschied die Dichtlippe von dem Ventilschaft abgehoben wird, so dass es zum ”blow-by” kommen kann.
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Versuche, dies zu vermeiden, indem die Dichtlippe zum Abdichten bezüglich des Ölvolumens mittels einer höheren Federkraft gegen den Ventilschaft gepresst wird, um das Abheben der Dichtlippen und den „blow-by” zu verhindern, haben den Nachteil, das die erhöhte Anpresskraft erhöhte Reibung und dadurch die von der Reibung verursachten unerwünschten Effekte Leistungsverlust und größeren Verschleiß mit sich bringen.
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Ferner sind Versuche bekannt, durch Hinzufügen einer zweiten Dichtlippe zum Abdichten des Ventilschafts bezüglich des gasgefüllten Volumens des Ansaug- bzw. des Abgastrakts zu verhindern, dass ein „blow-by” auftritt. Bei den bislang vorgeschlagenen Lösungen stützt sich die Dichtlippe zum Abdichten gegenüber dem Gasvolumen an einem unflexiblen Stützelement ab, das die Ventilschaftdichtung konzentrisch umgibt und diese mit dem Dichtungssitz verbindet, um dem Gasdruck standzuhalten. Dadurch kann die Dichtlippe lediglich ein geringes radiales Spiel ausgleichen, so dass es bereits bei einem geringen radialen Spiel oder Versatz zwischen dem Ventilschaft und der Ventilführung dennoch zum „blow-by” kommen kann.
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Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung vermeiden dies, indem eine Ventilschaftdichtung zum Abdichten eines in einer axialen Richtung beweglichen Ventilschaftes verwendet wird, bei der ein mit der Ventilführung verbindbarer Grundkörper der Ventilschaftdichtung sowohl mit einer ersten Dichtlippe zum Abdichten des Ventilschafts gegen Öl als auch mit einer zweiten Dichtlippe zum Abdichten gegen Gas, welche von der ersten Dichtlippe in der axialen Richtung beabstandet ist, elastisch verbunden ist. Dies kann dazu führen, dass es die elastische Verbindung der beiden Dichtlippen bezüglich eines mit einem Dichtungssitz des Ventilschafts verbunden Grundkörpers der Dichtung ermöglicht, im Betrieb auftretenden radialen Abweichungen, also einem Spiel zwischen Ventilschaft und Ventilführung zu folgen, so dass ein Abheben der Dichtlippen vom Ventilschaft und somit ein „blow-by” vermieden werden kann. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ermöglicht dies darüber hinaus, den Anpressdruck auf diejenige Dichtlippe, die dazu ausgebildet ist, den Ventilschaft gegen das Ölvolumen abzudichten, zu verringern. Dies wiederum führt zur Verringerung des Verschleißes sowie zu deutlich geringeren Reibungsverlusten.
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Unter Begriff Dichtlippen soll dabei hier und im Folgenden jedwede geometrische Form eines zur Dichtung geeigneten flexiblen oder unflexiblen Materials verstanden werden, die geeignet ist, eine Abdichtung bezüglich einer an die Dichtlippe angrenzenden Fläche eines weiteren Bauelements zu bewirken. Dies ist insbesondere also auch derjenige Bereich einer Dichtung, der mit einem angrenzenden Bauelement in Berührung kommt oder konstruktionsbedingt in Berührung kommen soll.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen sind der Grundkörper, die Dichtlippen und die elastische Verbindung einstückig aus einem Dichtungsmaterial hergestellt, wobei die federnde Wirkung der elastischen Verbindung durch eine geometrische Form des Dichtungsmaterials im Bereich des Federelements bewirkt wird. Beispielsweise können die beiden Dichtlippen über einen gemeinsamen Steg mit dem Grundkörper verbunden sein, wobei eine Materialstärke des Steges geeignet dimensioniert ist, um eine Flexibilität bzw. eine Bewegung der beiden Dichtlippen in der radialen Richtung zu ermöglichen.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die zweite Dichtlippe, die zum Abdichten bezüglich des Gasvolumens dient, an einem sich in der axialen Richtung, also in Richtung des gasgefüllten Volumens erstreckenden Arm angeordnet. Dies kann dazu führen, dass der Überdruck in dem Gasvolumen selbst dazu beiträgt, gegebenenfalls den Anpressdruck der Dichtlippe auf den Ventilschaft zu erhöhen. Gleichzeitig führt die Anordnung sowohl der Dichtlippe als auch des Armes an dem Federelement dazu, dass die Dichtung auch radialen Bewegungen bzw. einem radialen Versatz des Ventilschafts bezüglich der Ventilführung folgen bzw. diesen ausgleichen kann.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen weist die Ventilschaftdichtung ferner ein weiteres Federelement auf, das entgegen der radialen Richtung, also in Richtung auf den Ventilschaft, eine Federkraft auf die erste und/oder zweite Dichtlippe ausübt, um die Dichtwirkung zu erhöhen. Verglichen mit herkömmlichen Ausführungsbeispielen kann eine solcher Federdruck geringer als üblich ausfallen, was den Verschleiß reduzieren kann.
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Bei einigen weiteren Ausführungsbeispielen wird der Grundkörper der Ventilschaftdichtung von einem Stützelement umschlossen, beispielsweise von einem zylindersymmetrischen Element aus einem unelastischen Material, mittels dessen der Grundkörper mit einem Dichtungssitz verbunden bzw. an diesem fixiert wird. Der Dichtungssitz kann von der Ventilführung selbst oder getrennt von dieser ausgebildet sein. Um auch bezüglich des Dichtungssitzes eine Abdichtung zu gewährleisten, weisen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung an der der Ventilführung zugewandten Seite des Grundkörpers eine oder mehrere weitere Dichtlippen auf.
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Bei einigen Ausführungsbeispielen erstreckt sich die elastische Verbindung entgegen der axialen Richtung, also in Richtung auf das Ölvolumen des Ventildeckels hin, zumindest teilweise über die maximale Ausdehnung des Stützelements in dieser Richtung hinaus, um eine Flexibilität der Ventilschaftdichtung und die Gas- bzw. Öldichtigkeit zu erhöhen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend, bezugnehmend auf die beigefügte Figur, näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Ventilschaftdichtung.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ventilschaftdichtung im eingebauten Zustand. Die Ventilschaftdichtung dient zum Abdichten eines in einer axialen Richtung 2 beweglichen Ventilschaftes 4. Üblicherweise wird das Ventil von einer entgegen der axialen Richtung 2 angeordneten und hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Vorrichtung, beispielsweise von einem Nocken, betätigt. Die Bewegung in der axialen Richtung 2 öffnet einen im weiteren Verlauf in der axialen Richtung 2 an den Ventilschaft 4 anschließenden Ventilteller, um einen Zugang zum oder einen Abgang vom Verbrennungsraum eines Motors eines Kraftfahrzeugs zu öffnen. Auf den Ventilteller sowie die übrigen Mechanik sei der Übersichtlichkeit halber nicht näher eingegangen, da diese dem Fachmann hinreichend bekannt ist.
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Der Ventilschaft 4 wird in einer Ventilführung 6 geführt, also in einem Element, dessen Innendurchmesser bzw. dessen Bohrung auf einen Außendurchmesser des Ventilschaftes 4 angepasst ist, und das dazu dient, eine lineare Bewegung des Ventilschaftes 4 zu ermöglichen bzw. zu definieren. Durch unvermeidbare Fertigungstoleranzen besteht ein radialer Achsversatz zwischen Bohrung der Ventilführung und Dichtungssitz. Zudem weist durch thermische Ausdehnung bzw. aufgrund des erforderlichen Spiels zwischen Ventilschaft 4 und Ventilführung 6 oder durch Verschleiß der Ventilschaft 4 eine Bewegungskomponente auch in einer zur axialen Richtung 2 senkrechten radialen Richtung 14 auf, also ein radiales Spiel.
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Die Ventilschaftdichtung, die in der Schnittdarstellung von 1 gezeigt ist, besteht aus einer Mehrzahl von funktional unterschiedlichen Komponenten, wobei die einzelnen Komponenten in 1 teilweise einstückig ausgebildet sind, insbesondere aus einem gleichen Dichtungsmaterial bestehen. Es versteht sich von selbst, dass die im Folgenden näher beschriebenen unterschiedlichen funktionalen Komponenten auch mehrteilig ausgebildet sein können, um ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilschaftdichtung bereitzustellen.
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Zunächst weist die Ventilschaftdichtung einen Grundkörper 8 auf, der dazu dient, die Ventilschaftdichtung mit der Ventilführung 6 zu verbinden. Über den Grundkörper 8 wird also die starre Anbindung der Ventilschaftdichtung an die Ventilführung 6 hergestellt. Zu diesem Zweck weist bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der den Grundkörper 8 bildende Teil der Ventilschaftdichtung eine Mehrzahl von weiteren Dichtlippen 18 im Dichtungssitz auf Diese können beispielsweise-erforderlich sein, um ein zwischen Ventilführung 6 und Ventilschaft 4 strömendes Gas nicht am Dichtungssitz durchströmen zu lassen. Ein solcher Weg des Gases wäre eine Alternative zum oben beschriebenen „blow-by” 3 und aus denselben Gründen wenig wünschenswert. Die Dichtlippen 18 können auch die Aufgabe erfüllen, die Ventilschaftdichtung sicher bzw. in definierter Lage an der Ventilführung 6 zu halten. Hierzu können einzelne Dichtlippen 18 auch in Hinterschnitte, die in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind, eingreifen.
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In Richtung eines Ölvolumens 24 weist die Ventilschaftdichtung eine erste Dichtlippe 10 auf, die ausgebildet ist, um den Ventilschaft 4 gegen das Ölvolumen 24 abzudichten. In der axialen Richtung 2 von der ersten Dichtlippe 10 beabstandet weist die Ventilschaftdichtung eine zweite Dichtlippe 12 auf, die ausgebildet ist, den Ventilschaft 4 bezüglich eines Gasvolumens abzudichten, das sich auf der dem Ölvolumens in axialer Richtung gegenüberliegenden Seite der ersten Dichtlippe 10 befindet. Als das Gasvolumen, bezüglich dessen die zweite Dichtlippe den Ventilschaft 4 abdichtet, kann im Allgemeinen dasjenige Gasvolumen verstanden werden, das sich auf der von der ersten Dichtlippe 10 abgewandten Seite der zweiten Dichtlippe 12 befindet. In dieses Volumen gelangen nämlich die abzudichtenden Gase, die möglicherweise zwischen dem Ventilschaft 4 und der Ventilführung 6 vorbeiströmen.
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Um zu ermöglichen, dass sowohl die erste Dichtlippe 10 als auch die zweite Dichtlippe 12 Fertigungstoleranzen der Ventilführung ausgleichen sowie einer Bewegung des Ventilschafts 4 in der radialen Richtung 14, also einem radialen Spiel des Ventilschaft 4, folgen können, sind sowohl die erste Dichtlippe 10 als auch die zweite Dichtlippe 12 über eine elastische Membrane 16 als elastische Verbindung mit dem Grundkörper 8 verbunden, welcher wiederum starr mit der Ventilführung 6 verbunden ist.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die elastische Verbindung 16 durch das Dichtungsmaterial selbst gebildet, insbesondere durch dessen geometrische Form. Insbesondere besteht die Verbindung 16 vorliegend aus einem Steg aus Dichtungsmaterial, der die erste Dichtlippe 10 und die zweite Dichtlippe 12 mit dem Grundkörper 8 verbindet.
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Dabei wird die Elastizität durch eine geometrische Form des Steges bewirkt, insbesondere beispielsweise durch eine geeignete Dimensionierung des Materialquerschnitts des den Steg bildenden Dichtungsmaterials. Es versteht sich von selbst, dass bei weiteren Ausführungsbeispielen alternative elastische Verbindungselemente vorgesehen werden können. Beispielsweise können mehrteilige Federungselemente verwendet werden, die Schrauben-Blatt-, Bimetallfedern oder ähnliche Federelemente verwenden.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen einstückiger Ventilschaftdichtungen bzw. von Ventilschaftdichtungen, bei denen die elastische Verbindung 16 aus dem Dichtungsmaterial besteht, können selbstverständlich auch unterschiedliche, eine Federwirkung bewirkende Geometrien verwendet werden. Beispielsweise kann das Federelement mäanderförmig, C-förmig oder mit einer beliebigen anderen Verjüngung des Querschnitts des Materials ausgebildet werden.
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Durch die Anbindung der beiden Dichtlippen 10 und 12 an den Grundkörper 8 mittels der elastischen Verbindung 16 kann das radiale Spiel des Ventilschaft 4 ausgeglichen werden, ohne dass die Dichtwirkung der ersten oder der zweiten Dichtlippe beeinträchtigt wird. Zur Fixierung des Grundkörpers 8 an der Ventilführung 6 wird bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ein den Grundkörper zylindersymmetrisch umgebendes Stützelement 22 verwendet, mittels dessen der Grundkörper 8 zusammen mit seinen weiteren Dichtlippen 18 gegen einen zylindersymmetrischen Verbindungsbereich bzw. Dichtungssitz der Ventilführung 6 gepresst wird, um eine gasdichte Anbindung der Ventilschaftdichtung zu erzielen.
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Dabei versteht es sich von selbst, dass bei weiteren Ausführungsbeispielen die Anbindung des Grundkörpers 8 an die Ventilführung 6 auf beliebige andere Art und Weise erfolgen kann. Um die Gasdichtigkeit des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels weiter zu erhöhen, ist die zweite Dichtlippe 12 ferner an einem sich von dem Federelement bzw. dem als Federelement dienenden Steg 16 in der axialen Richtung weg erstreckenden Arm angebracht, sodass zwischen dem Arm und dem Grundkörper 8 bzw. dem Verbindungssteg 16 eine Hinterschneidung entsteht. Dadurch kann ein in dem Gasvolumen befindliches Gas die zweite Dichtlippe 12 zusätzlich gegen den Ventilschaft 4 pressen, was die Dichtwirkung verbessern kann. Dabei erstreckt sich das Federelement 16 entgegen der axialen Ausrichtung 2 bevorzugt zumindest teilweise weiter als das Stützelement 22, um eine flexible federnde Lagerung bzw. Anbindung der Dichtlippen zu erreichen.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform wird ferner ein vollständig umlaufendes weiteres Federelement 20, um einen definierten, über die Dauer der Anwendung und von Fertigungstoleranzen des Dichtungsmaterials näherungsweise unabhängigen Anpressdruck der ersten Dichtlippe 10 und/oder der zweiten Dichtlippe 12 zu erreichen. Es versteht sich von selbst, dass bei anderen Ausführungsformen andere weitere Federelemente 20 verwendet werden können bzw. dass auf ein weiteres Federelement 20 verzichtet werden kann. Bei weiteren Ausführungsformen ist die geometrische Position des weiteren Federelements 20, insbesondere die Relativposition bezüglich der ersten Dichtlippe 10 und der zweiten Dichtlippe 12 den Bedürfnissen angepasst so gewählt, dass beispielsweise durch das weitere Federelement 20 eine höhere Kraft auf die zweite Dichtlippe 12 als auf die erste Dichtlippe 10 ausgeübt werden kann und umgekehrt.
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Die in 1 gezeigte Ventilanordnung ermöglicht es insbesondere auch dann, wenn der Außendurchmesser des Verbindungsbereichs, an dem die Ventilschaftdichtung an die Ventilführung 6 angebunden ist, verglichen zu dem Außendurchmesser des Ventilschafts 4, vergleichsweise gering ist, eine Ventilschaftdichtung zu verwenden, die sowohl öl- als auch gasdicht ist und die darüber hinaus lediglich einen geringen Verschleiß und Reibungsverluste aufweist. Mit anderen Worten kann eine Ventilschaftdichtung der oben beschriebenen Art besonders vorteilhaft bei einer Ventilanordnung verwendet werden, bei der das Verhältnis des Außendurchmessers der Ventilführung bzw. des Verbindungsbereichs oder des Dichtungssitzes der Ventilführung zum Außendurchmesser des Ventilschaftes klein ist, beispielsweise also im Intervall von 1,05 bis 1,2, von 1,05 bis 1,5 oder von 1,05 bis 2,0 liegt.
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Wenngleich anhand des vorhergehenden Ausführungsbeispiels überwiegend in Bezug auf einen PKW-Motor beschrieben, versteht es sich von selbst, dass weitere Ausführungsformen vom Ventilschaftdichtungen auch in beliebigen anderen Motoren, beispielsweise in Flugmotoren, Schiffsmotoren, Modellbaumotoren oder dergleichen verwendet werden können. Darüber hinaus sind diese nicht auf Anwendungen in Ventilen beschränkt. Darüber hinaus können auf vorteilhafte Art und Weise jedwede beliebigen Stössel, Stangen, Kolben oder dergleichen bezüglich eines Ölvolumens und eines Gasvolumens abgedichtet werden, welche im laufenden Betrieb eine kontinuierliche Bewegung in oder entgegen einer axialen Richtung durchführen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- axiale Richtung
- 4
- Ventilschaft
- 6
- Ventilführung
- 8
- Grundkörper
- 10
- erste Dichtlippe
- 12
- zweite Dichtlippe
- 14
- radiale Richtung
- 16
- elastische Verbindung
- 18
- weitere Dichtlippe
- 20
- weiteres Federelement
- 22
- Stützelement
- 24
- Ölvolumen
