DE69316661T2

DE69316661T2 - Vorrichtung zur gasabdichtung für drehventile

Info

Publication number: DE69316661T2
Application number: DE69316661T
Authority: DE
Inventors: Anthony Wallis
Original assignee: A E BISHOP RESEARCH Pty
Current assignee: A E BISHOP RESEARCH Pty
Priority date: 1992-11-06
Filing date: 1993-11-03
Publication date: 1998-06-18
Anticipated expiration: 2013-11-04
Also published as: EP0706607A4; DE69316661D1; US5526780A; JP3287846B2; EP0706607B1; EP0706607A1; WO1994011618A1; JPH08503047A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gasabdichtungs- System für die Abdichtung einer Drehventileinheit, die in einem Verbrennungsmotor verwendet wird. Die Abdichtungseinrichtung der vorliegenden Erfindung kann bei jedem zylindrischen Drehventil genutzt werden, welches eine oder mehrere Öffnungen im Ventilumfang hat, welche periodisch mit einem ähnlich geformten Fenster in der Verbrennungskammer fluchten, um einen Durchgang von Gas von dem Ventil zur Verbrennungskammer oder umgekehrt zu gestatten. Während eines Teils des Zyklus', wenn eine Kompression und eine Verbrennung von Gasen stattfindet, blockiert der Umfang des Ventils den Ausschnitt in der Verbrennungskammer. Das Abdichtungssystem verhütet das Entweichen von unter hohem Druck stehenden Gasen aus der Verbrennungskammer während dieses Teils des Zyklus'.
Spezielle Beispiele für solche Ventile werden im Nachstehenden skizziert, doch ist die Erfindung keinesfalls auf diese Beispiele beschränkt.
1. Axialstrom-Drehventil für die Verwendung beim Viertaktzyklus, wobei sowohl Einlaß-, als auch Auslaßöffnungen in demselben Ventil kombiniert sind.
2. Radialstrom-Drehventil für den Viertaktzyklus, wobei sowohl Einlaß-, als auch Auslaßöffungen in demselben Ventil kombiniert oder alternativ in gesonderten Ventilen untergebracht sind.
3. Axial- oder Radialstrom-Drehventil für die Verwendung bei Zweitaktmotoren, wobei die Auslaß und/oder die Einlaßöffnung im Ventil untergebracht ist.
Ein Gasabdichtungssystem entsprechend der Erfindung ist auf zylindrische Drehventile anwendbar, welche eine oder mehrere Öffnungen in dem Ventil aufnehmen, welche als Öffnung in dem Ventilumfang enden. Während eines Drehens des Ventils kommt jede Öffnung in dem Umfang des Ventils periodisch mit einem ähnlichen Fenster in dem Zylinderkopf zum Fluchten, wobei sich dieses letztere direkt in die Verbrennungskammer hinein Öffnet. Das Ventil wird von Lagern getragen, welche angrenzend an einen mittleren zylindrischen Teil untergebracht sind, in welchem die öffnung(en) in dem Umfang des Ventils angeordnet ist (sind). Das Ventil und seine Lager befinden sich in einer Bohrung in dem Zylinderkopf in einer solchen Art und Weise, daß sichergestellt wird, daß die mittlere zylindrische Zone sich drehen kann, während immer ein geringes radiales Spiel zur Bohrung aufrechterhalten wird.
Es ist eine große Anzahl an Drehventilen in der Vergangenheit ohne kommerziellen Erfolg vorgeschlagen und hergestellt worden. Einer der hauptsächlichen Beiträge zu diesem Mangel an Kommerzialisierung ist, daß man nicht zu einem zufriedenstellenden Gasabdichtungssystem kommt.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich speziell mit einem Abdichtungssystem, welches eine "Aussparung aus schwimmenden Dichtungen" verwendet. Bei diesem System dreht sich das Ventil mit einem geringen Spiel zur Zylinderkopfbohrung, und ein System aus vier oder mehr gesonderten Dichtungselementen bildet ein schwimmendes Dichtungsgitter um den Umfang eines annähernd rechteckigen Fensters herum. Verschiedene Beispiele dafür sind in dem bekannten Stand der Technik zu finden, eingeschlossen das US- Patent 4,019,487 für Dana Corporation und das US-Patent 4,852,532 für Bishop, von denen das letztere am meisten relevant ist. Die in den Beschreibungen der vorstehend angeführten Patente offenbarten Systeme haben den Hauptvorteil, daß die Aussparungslänge (und deshalb die Ventilöffnungsrate) nicht durch das Abdichtungssystem begrenzt wird. Es sind Aussparungslängen von größer als 85 % des Kolbenbohrungsdurchmessers möglich. Zusätzlich kann das Abdichtungssystem von Bishop so gestaltet werden, daß es nicht zu einer Benachteiligung in der radialen Tiefe zwischen dem Drehventil und der Zylinderkopffläche oder Oberseite der Zylinderbohrung beiträgt. Die Formen der Verbrennungskammer sind folglich stark verbessert, zusammen mit der Möglichkeit, das Volumen der Verbrennungskammer ausreichend zu reduzieren, um hohe Verdichtungsverhältnisse zu erzielen.
Ventile, welche sowohl Einlaß-, als auch Auslaßöffnungen in demselben Ventil enthalten, müssen in der Lage sein, irgendeine nennenswerte Strömung zwischen den Öffnungen zu verhüten Bei der Beschreibung von Bishop, welche Einlaß- und Auslaßöffnungen in demselben Ventil enthält, wird ein Abdichtungsverfahren beschrieben, welches auf dem Aufrechterhalten eines sehr geringen Spiels zwischen der Zylinderkopfbohrung und jenem Teil des Ventilumfangs beruht, der sich zwischen der Öffnung der Einlaß- und der Auslaßbohrung erstreckt. Dieses Verfahren ist, während es keine vollkommene Abdichtung zwischen den Öffnungen bildet, angemessen, weil:
1. die Druckdifferenz zwischen den Öffnungen gering ist;
2. der radiale Spalt, durch welchen Gase strömen können, sehr gering ist und die Strömung schnell gedrosselt wird;
3. die Öffnungen ein solch großes Volumen enthalten, daß die sehr geringe Strömung zwischen den Öffnungen eine vernachlassigbare Wirkung auf den Druck in der Öffnung erzeugt.
Obwohl dieses System unter Problemen bei einem Vergasersystem leiden könnte, bei welchem geringe Mengen an unverbranntem Kraftstoff in die Abgasöffnung geleitet werden können und deshalb unerwünschte Kohlenwasserstoff-Emissionen erzeugen können, werden moderne zeitlich abgestimmte elektronisch gesteuerte Kraftstoff-Einspritzsysteme kein solches Problem aufweisen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Abdichtungssystem des vorstehenden Typs, d.h. Aussparungen aus schwimmenden Dichtungen zusammen mit der Lösung von Bishop für eine Abdichtung zwischen den Öffnungen.
Das US-Patent 4,852,532 von Bishop beschreibt ein System von Dichtungen, die zu beiden Seiten der Zylinderkopfaussparung der Verbrennungskammer und gegen den Umfang des Ventils vorgespannt sind, gegen die an beiden Enden eine sich über den Umfang erstreckende Ringdichtung stößt, deren Innendurchmesser dichtend gegen den Umfang des Ventils reibt.
Die Funktion dieser Dichtungen ist, die unter hohem Druck stehenden Verbrennungsgase innerhalb des Rechtecks abzufangen, welches durch die Innenseite dieser Dichtungen gebildet wird. Die Effektivität dieses Dichtungssystems hängt von dessen Fähigkeit ab, die Zone am Schnittpunkt der einzelnen Dichtungselemente abzudichten. Weil sich die aneinanderstoßenden Dichtungen frei unabhangig voneinander bewegen können müssen (um Wärmedehnung und Herstellungstoleranzen unterzubringen), wird es immer einen kleinen Spalt an jedem Schnittpunkt geben. Weil es vier solche Schnittpunkte pro Bauemheit gibt, besteht die Möglichkeit, daß der Gesamt-Undichtigkeitsspalt sehr groß ist. Die Summe dieser Undichtigkeitsflächen der Ventileinheit wird als "effektive Gesamt-Undichtigkeitsfläche" oder "TELA" bezeichnet.
Um die Bedeutung des TELA einzuschätzen, ist es instruktiv, den Undichtigkeitsbereich einer Kolbendichtungseinheit zu betrachten. Anders als das Drehventil-Dichtungssystem hat eine Kolbenringdichtung nur einen Spalt, durch welchen eine Undichtigkeit auftreten kann. Die Undichtigkeitsfläche dieses Spaltes ist durch das Produkt aus dem Kolbenringspalt und dem radialen Spiel des Kolbenbodens zur Kolbenbohrung gegeben. Typischerweise sind der Kolbenringspalt und das radiale Spiel des Kolbenbodens zur Kolbenbohrung beide 0,25 mm, was eine Undichtigkeitsfläche von 0,0625 mm² ergibt.
Bei einer konventionellen Automobil-Auslaßventileinheit haben Auslaßventile einen Spalt von Null (und folglich eine TELA von Null), so daß die Gesamt-Verbrennungskammer-Undichtigkeitsfläche typischerweise 0,0625 mm² beträgt. Bei einem Drehventil muß die TELA des Abdichtungssystems des Drehventile zu der Undichtigkeitsfläche der Kolbendichtungen addiert werden, um die Gesamt- Undichtigkeitsfläche der Verbrennungskammer zu ergeben. Es ist in Untersuchungen über Kolbenringe gezeigt worden, daß die Undichtigkeitsrate hinter einem Kolbenring direkt proportional der Undichtigkeitsfläche des Kolbenrings selbst ist. Deshalb muß, damit ein Drehventil-Abdichtungssystem des beschriebenen Typs ausführbar ist, die TELA der vier Schnittpunkte an den Kanten des "Fensters aus schwimmenden Dichtungen" ein kleiner Bruchteil der Undichtigkeitsfläche des Kolbenrings sein.
Bei dem in dem US-Patent 4,852,532 von Bishop vorgeschlagenen Abdichtungssystem spannen die Hochdruckverdichtung und die Verbrennungsgase die Ringdichtung axial nach außen gegen die Seitenflächen der über den Umfang verlaufenden Nuten innerhalb der Zylinderkopfdichtung vor und Öffnen folglich den Spalt zwischen den Enden der axialen Dichtungen und der angrenzenden Ringdichtungen. Die TELA dieses Spalts ist durch das Produkt aus dem axialen Spiel zwischen dem Ende der axialen Dichtung und der Seitenfläche der angrenzenden Ringdichtung und der Tiefe der über den Umfang verlaufenden Nut plus dem Produkt aus dem Spiel der Ringdichtung zur Unterseite der über den Umfang verlaufenden Nut und der Breite der Nut gegeben. Es kann auf Basis vernünftiger Annahmen bezogen auf diese Größen gezeigt werden, daß die TELA die Größenordnung des Zwanzigfachen der Undichtigkeitsfläche einer Kolbenringeinheit hat.
Die vorliegende Erfindung besteht aus einer Drehventilvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem hohlzylindrischen Ventil, wobei das Ventil einen oder mehrere Kanäle hat, die als öffnungen in dessen Umfang enden, einem Zylinderkopf mit einer Bohrung, in der sich das Ventil in einer vorbestimmten engen Spielpassung dreht, wobei in der Zylinderkopfbohrung eine mit einer Verbrennungskammer in Verbindung stehende Aussparung vorgesehen ist und wobei sich die Öffnungen auf Grund der Drehung nacheinander mit der Aussparung in Flucht befinden, zumindest einer Lagereinrichtung an jeder axialen Seite der Aussparung zur Lagerung des Ventils in der Zylinderkopfbohrung, wobei die Lagereinrichtungen dazu dienen, die vorbestimmte enge Spielpassung beizubehalten, axial verlaufenden Dichtungselementen, die in der Zylinderkopfbohrung eingesetzt sind, sich bezüglich der Bohrung über ein Ausmaß nach innen erstrecken, das gleich der vorbestimmten engen Spielpassung ist und gegen die Umfangsfläche des Ventils vorgespannt sind, wobei die axial verlaufenden Dichtungselemente in axial verlaufenden Nuten eingesetzt sind, die in der Zylinderkopfbohrung ausgebildet sind und wobei in Umfangsrichtung bezüglich der Aussparung an jeder Seite zumindest eine Nut angeordnet ist, zwei inneren Umfangsdichtungselementen, die entlang der Achse des Ventils angeordnet sind, in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten eingesetzt sind, die entweder in der Umfangsfläche des Ventils oder der Zylinderkopfbohrung ausgebildet sind und in radialer Richtung gegen die Oberfläche des jeweils anderen Teils vorgespannt sind, wobei jedes dieser inneren Umfangsdichtungselemente jeweils an dem äußeren axialen Ende der axial verlaufenden Dichtungselemente und direkt benachbart dazu angeordnet ist, einer ersten Dichtungsdruckkammer, die wegen der Wirkung der vorbestimmten engen Spielpassung vorhanden ist und die in Umfangsrichtung zwischen den axial verlaufenden Dichtungselementen an jeder Seite der Aussparung ausgebildet, sowie in axialer Richtung durch die Flächen der Innenseiten der inneren Umfangsdichtungselemente begrenzt ist, wodurch während der Verbrennung wegen der Verbindung zwischen der Aussparung und der Verbrennungskammer durch Hochdruck-Verbrennungsgas die erste Dichtungsdruckkammer mit Druck beaufschlagt wird, wodurch die axial verlaufenden Dichtungselemente radial nach innen gegen die Umfangsfläche des Ventils in eine Richtung zur Erhöhung der Vorspannung und in Umfangsrichtung nach außen gegen die Seiten der axial verlaufenden Nuten gedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei äußere Umfangsdichtungselemente ebenfalls entlang der Achse des Ventils angeordnet sind und zumindest eines davon relativ zu jedem inneren Umfangsdichtungselement in axialer Richtung nach außen versetzt ist, wodurch zwei zweite Dichtungsdruckkammern gebildet werden, die jeweils in axialer Richtung an jeder Seite der Aussparung zwischen benachbarten inneren und äußeren Dichtungselementen liegen und dadurch, daß Durchgangseinrichtungen ein Strömen von Hochdruck-Verbrennungsgas von der ersten Dichtungsdruckkammer in die zweiten Dichtungsdruckkammern ermöglichen, wodurch während der Verbrennung bewirkt wird, daß die zweiten Dichtungsdruckkammern durch die äußeren Umfangsdichtungselemente abgedichtet werden, um eine axial nach außen gerichtete Bewegung des Gases zu verhindern und daß bewirkt wird, daß die inneren Umfangsdichtungselemente axial nach innen gedrückt werden, um gegen die axial am weitesten nach innen liegenden Seiten der in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten abzudichten und in axiale Richtung gedrückt werden, um gegen die Fläche abzudichten, gegen die sie vorgespannt sind.
Damit die Erfindung besser verstanden und in die Praxis umgesetzt werden kann, wird im Nachstehenden eine bevorzugte Ausführungsform davon in der Form eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei welchen:
Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Drehventils entsprechend der Erfindung ist;
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang von Linie A - A von Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang von Linie B - B von Fig. 2 ist (Ventil nicht geschnitten);
Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht von Teil C von Fig. 3 ist;
Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht von Teil D von Fig. 1 ist;
Fig. 6 eine Schnittansicht entlang von Linie E - E von Fig. 3 ist, wobei Einzelheiten des Ventils und des Zylinderkopfes entfernt sind;
Fig. 7 eine schematische Ansicht ist, welche die Beziehung zwischen den Dichtungen und die Geometrie derselben veranschaulicht, wobei Einzelheiten des Ventils und des Zylinderkopfes entfernt sind;
Fig. 8 schematisch eine Druckausgleichs-Flächendichtungsanordnung zeigt;
Fig. 9 eine alternative Anordnung zu der in Fig. 8 gezeigten veranschaulicht;
Fig. 10 eine Ansicht ähnlich der von Fig. 1 ist, welche eine modifizierte Form eines Drehventils hat, bei welchem die inneren Teilringdichtungen und die äußeren Ringdichtungen innerhalb derselben über den Umfang verlaufenden Nut in dem Drehventil enthalten sind:
Fig. 11 Ansichten der inneren Teilringdichtung in Fig. 10 zeigt;
Fig. 12 eine alternative Anordnung für die innere Ringdichtung zeigt;
Fig. 13 eine ähnliche Ansicht ist, welche eine weitere alternative Konstruktion zeigt; und
Fig. 14 eine ähnliche Ansicht ist, welche die Verwendung eines Stiftes zeigt, um eine innere Ringdichtung gegen eine Bewegung in Umfangsrichtung zu lokalisieren.
Bei der bevorzugten Ausführungsform hat Drehventil 10 Einlaßkanal 11 an einem Ende und Auslaßkanal 12 am anderen Ende. Diese Kanäle stellen entsprechend eine Verbindung mit Öffnungen 13 und 14 (Fig. 3) im Umfang des mittleren zylindrischen Teils von Ventil 10 her. Wenn sich das Ventil dreht, dann richten sich diese Öffnungen periodisch mit einer ähnlich geformten Aussparung 15 in Zylinderkopf 16 aus, die sich direkt in die Verbrennungskammer 17 an der Oberseite der Kolbenbohrung (nicht gezeigt) Öffnen. Dieses Ausrichten gestattet das Durchtreten von Gasen in den und aus dem Zylinder. Während des Kompressions- und Arbeitshubes überdeckt der Umfang von Ventil 10 die Aussparung 15 in Zylinderkopf 16, was das Austreten von Gasen aus Verbrennungskammer 17 verhütet.
Ventil 10 wird durch zwei Nadelrollenlager 18 getragen. Diese Lager ermöglichen es dem Ventil 10, sich in Bohrung 19 von Zylinderkopf 16 zu drehen, wobei der mittlere zylindrische Teil 20 von Ventil 10 immer ein kleines radiales Spiel gegenüber der Oberfläche der Bohrung 19 beibehält.
Es wird durch eine Reihe schwimmender Dichtungselemente, welche den radialen Spalt zwischen Bohrung 19 und Ventil 10 abdichten, verhütet, daß Hochdruckgas aus Verbrennungskammer 17 entweicht. Diese Dichtungselemente bestehen aus zwei axialen Dichtungen 21 und 22 (Fig. 2), zwei inneren Umfangs-Teilringdichtungen 23 und 24 und zwei äußeren Umfangsringdichtungen 25 und 26.
Das Entweichen von Hochdruckgas aus Verbrennungskammer 17 um Ventil 10 herum in die Zone hinter den axialen Dichtungen 21 und 22 und zwischen den inneren Teilringdichtungen 23 und 24 wird durch das Umfangsdichtungssystem verhütet, welches aus den Axialdichtungen 21 und 22 und den inneren Teilringdichtungen 23 und 24 besteht. Das Austreten von Hochdruckgas axial nach außen wird durch das Axialdichtungssystem verhütet, welches aus den äußeren Ringdichtungen 25 und 26 besteht.
Die Axialdichtungen 21 und 22 sind auf beiden Seiten von Aussparung 15 in Zylinderkopf 16 angeordnet und liegen parallel zu der Drehachse von Ventil 10. Sie sind entsprechend in blind endenden gebogenen Schlitzen 27 und 28 untergebracht, welche in den Zylinderkopf 16 maschinell eingearbeitet sind. Beachten Sie, daß es nicht wesentlich ist, daß diese Schlitze gekrümmt sind. Bei dieser Ausführungsform könnten sie einfach blind enden. Das einzige praktische Verfahren zur Herstellung dieser blind endenden Schlitze bei einer Großproduktion ist, sie gekrümmt herzustellen. Bei sehr geringen Mengen, bei denen Kosten keine Erwägung wert sind, kann ein nicht gekrümmter blind endender Schlitz dadurch hergestellt werden, daß man ihn mit Hilfe eines elektrischen Entladungsverfahrens (EDMed) in den Zylinderkopf 16 einarbeitet.
Jede Axialdichtung 21 oder 22 besteht aus einem Materialstreifen mit parallelen Seiten, dessen Oberseite mit einem Radius versehen ist, damit er dem Außendurchmesser des mittleren zylindrischen Teils von Ventil 10 übereinstimmt und dessen Unterseite so konturiert ist, daß sie zur Form des blind endenden gekrümmten Schlitzes 27 oder 28 paßt. Die Axialdichtungen 21 und 22 werden gegen die Oberfläche von Ventil 10 mit Hilfe von Blattfedern 29 und 31 vorgespannt An beiden Enden von Axialdichtung 21 oder 22 stehen kleine Ansätze 32 und 33 über die mit einem Radius versehene Oberseite der Axialdichtungen 21 oder hinaus nach oben vor. Diese Ansätze greifen in über den Umfang verlaufende Nuten 34 und 35 ein, die maschinell in das Drehventil 10 eingearbeitet sind. Die Länge über die Enden dieser Ansätze 32 und 33 ist derart, daß sie ein geringes Spiel gegenüber den axial nach außen liegenden Seiten der über den Umfang verlaufenden Nuten 34 und 35 haben. Diese äußeren Seiten der über den Umfang verlaufenden Nuten 34 und 35 sorgen für die axiale Lage der Axialdichtungen 21 und 22. Die Breite dieser Ansätze ist derart, daß sie sicherstellen, daß ihre axial innenliegenden Seiten niemals die axial innenliegenden Seiten der über den Umfang verlaufenden Nuten 34 und 35 berühren können. Jede Belastung auf den Axialdichtungsansätzen ist deshalb immer der Natur nach kompressiv.
Die blind endenden gekrümmten Schlitze 27 und 28 sind jeweils so aufgebaut, daß deren radiale Tiefe eine geringe Entfernung bevor der Schlitz die äußere Ringdichtung 25 oder 26 erreicht zu Null wird, wodurch sichergestellt wird, daß es keinen Weg für eine axiale Undichtigkeit hinter die äußeren Ringdichtungen 25 oder 26 gibt (siehe Fig. 4).
Jede innere Teilringdichtung 23 oder 24 ist eine Ringdichtung in Form eines Kolbenringes, wobei ein Teil des Ringes entfernt ist. Die inneren Teilringdichtungen 23 und 24 sind so angeordnet, daß sie den Raum zwischen den über den Umfang verlaufenden Außenseiten der Axialdichtungen 21 und 22 so überspannen, wie in Fig. 6 gezeigt.
Die inneren Teilringdichtüngen 23 und 24 sind in über den Umfang verlaufenden Nuten 34 und 35 untergebracht, welche maschinell in Ventil 10 hineingearbeitet sind. Jede Teilringdichtung selbst hat ein geringes axiales Spiel in den über den Umfang verlaufenden Nuten (in der Größenordnung von 0,025 bis 0,075 mm), und seine radiale Außenseite ist gegen die Bohrung 19 in Zylinderkopf 16 vorgespannt. Sie wird durch Ansätze 32 und 33 orientiert und ein Drehen derselben verhütet, die an jedem Ende der Axialdichtungen 21 und 22 vorhanden sind.
Die äußeren Ringdichtungen 25 und 26 sind jeweils eine Kolbenringdichtung, die in über den Umfang verlaufenden Nuten 36 und 37 untergebracht sind, welche ebenfalls maschinell in das Ventil 10 eingearbeitet sind. Diese über den Umfang verlaufenden Nuten liegen entsprechend außerhalb der über den Umfang verlaufenden Nuten 34 und 35, welche die inneren Teilringdichtungen 23 und 24 aufnehmen und, wie schon weiter vorn angegeben, radial außerhalb der blind endenden gekrümmten Schlitze 27 und 28. Die äußeren Ringdichtungen 25 und 26 haben ein geringes axiales Spiel in den über den Umfang verlaufenden Nuten 36 und 37, und ihre radialen Außenseiten sind gegen die Bohrung 19 vorgespannt, in welcher Ventil 10 untergebracht ist. Es wird dadurch verhütet, daß sie sich drehen, daß sichergestellt wird, daß jeder Ring einen entsprechenden Querschnitts-Schlankheitsgrad hat.
Um diese Erfindung zu verstehen, wollen wir zuerst betrachten, wo das Hochdruckgas in der Verbrennungskammer entweichen kann. Es gibt zwei grundlegende Zonen, in welche hinein dieses Gas entweichen kann:
a) Erstens eine axiale Zone, die axial nach außen von den äußeren Ringdichtungen 25 und 26 liegt.
b) Zweitens eine Umfangszone, welche durch die Außenseiten der Axialdichtungen 21 und 22 und die Innenseiten der inneren Ringdichtungen 23 und 24 begrenzt wird. Eine Strömung in diese Zone hinein kann in Umfangsrichtung hinter den axialen Dichtungen 21 und 22 oder axial hinter den inneren Ringdichtungen 23 und 24 erfolgen.
Die im US-Patent 4,852,532 von Bishop offenbarte vorherige Konstruktion eines "Fensters mit schwimmender Dichtung" hat versucht, die Gasströme in diese beiden Zonen hinein mit demselben Dichtungssatz dadurch abzudichten, daß das Hochdruckgas innerhalb eines Rechtecks festgehalten wurde, welches durch die Innenseite der vier Dichtungselemente gebildet wurde.
Die vorliegende Erfindung trennt die Abdichtung der Strömung in zwei Zonen dadurch, daß für zwei unabhängige Dichtungssysteme gesorgt wird: ein Umfangsdichtungssystem, um gegen Strömungen in die Umfangszone hinein abzudichten und ein Axialdichtungssystem, um gegen Strömungen in die Axialzone hinein abzudichten. Statt das Hochdruckgas auf eine rechteckige Zone zu begrenzen, ermöglicht sie ihm, aus dieser Rechteckzone in Ringe hinein zu expandieren, welche an beiden Enden der Rechteckzone liegen.
Fig. 7 veranschaulicht schematisch die Beziehung zwischen den und die Geometrie der Axialdichtungen 21 und 22, den inneren Teilringdichtungen 23 und 24 und den äußeren Ringdichtungen 25 und 26.
Die Axialdichtungen 21 und 22 definieren zwischen sich eine ersten Dichtungsdruckkammer, die über den Umfang durch diese Dichtungen begrenzt wird, radial durch die enge Spielpassung zwischen dem Umfang des mittleren zylindrischen Teils 20 von Ventil 10 und Bohrung 19 begrenzt wird und axial durch die Ebene der Innenseite der inneren Ringdichtungen 23 und 24 begrenzt wird. Der Ringraum, welcher zwischen der inneren Teilringdichtung 23, der äußeren Ringdichtung 25, den Nuten 34 und 36 und der Oberfläche von Bohrung 19 (siehe Fig. 5) und zwischen der inneren Teilringdichtung 24, der äußeren Ringdichtung 26, den Nuten 35 und 37 und der Oberfläche von Bohrung 19 gebildet wird, definiert zwei zweite Dichtungsdruckkammern. Wegen der Tatsache, daß sich die inneren Teilringdichtungen 23 und 24 nicht über den Umfangsraum zwischen den Axialdichtungen 21 und 22 erstrecken, wird ein Durchgang gebildet, der die erste Dichtungsdruckkammer mit den zweiten Dichtungsdruckkammern verbindet. Die Auswirkung davon ist, daß Hochdruckgas von Verbrennungskammer 17 während der Kompression und der Verbrennung so wirkt, daß die Axialdichtungen 21 und 22 radial nach innen gegen die Oberfläche von Ventil 10 und über den Umfang nach außen gegen die über den Umfang verlaufenden Außenflächen der blind endenden Schlitze 27 und 28 vorgespannt werden. Desgleichen werden die Ringdichtungspaare 23, 25 (und 24, 26) einzeln gegen die Stirnflächen der über den Umfang verlaufenden Nuten gedrückt, in welchen sie enthalten sind und radial nach außen gegen Bohrung 19 gedrückt, gegen welche sie vorgespannt sind.
Diese Erfindung überwindet alle Probleme, welche sich aus dem US-Patent 4,852,532 für Bishop und dem US-Patent 4,019,487 für Dana corporation ergeben.
Erstens ermöglicht es das Trennen der Axial- und der Umfangs- Dichtungsfunktion, daß die inneren Ringdichtungen 23 und 24 und die Axialdichtungen 21, 22 aufeinander zu und nicht voneinander weg gedrückt werden. Dies reduziert die TELA in drastischer Weise. Die sich ergebende TELA ist das Produkt des Spiels, welches zwischen den über den Umfang verlaufenden inneren Flächen der inneren Teilringdichtungen 23 und 24 und den über den Umfang verlaufenden am weitesten außen liegenden Flächen der Axialdichtungen 21 und 22 existiert und dem geringen radialen Spiel zwischen dem mittleren zylindrischen Teil 20 von Ventil 10 und der Oberfläche von Bohrung 19. Wenn wir annehmen, daß
1. der Betrag des Spiels zwischen den Axialdichtungen und der Ringdichtung dasselbe sowohl für die gegenwärtige Anordnung, als auch für die Anordnung in der Patentschrift von Bishop ist und
2. der Betrag des Spiels zwischen den Axialdichtungen und den Ringdichtungen dasselbe ist, wie das radiale Spiel zwischen der Ringdichtung und ihrer Nut, dann
ändert sich der Betrag der TELA wie das Verhältnis des geringen radialen Spiels zwischen dem mittleren zylindrischen Teil 20 des Ventils 10 und der Oberfläche von Bohrung 19 dividiert durch die Summe der Tiefe und der Breite der über den Umfang verlaufenden Nut. Typischerweise weist die Erfindung eine TELA in der Größenordnung von einem Dreißigstel (1/30) derjenigen der Patentschrift von Bishop auf.
Typische Gesamtwerte der TELA für die gasabdichtende Geometrie bei der vorliegenden Erfindung sind 0,02 mm², weniger als die Undichtigkeitsfläche für eine typische Kolbenringbaugruppe.
Zweitens können die Verdichtungs- und die Verbrennungsgase auf alle Dichtungen in einer Art und Weise wirken, welche die schließende Kraft an den Dichtungsflächen der Dichtungen erhöht, wenn der abzudichtende Druck ansteigt, was in übereinstimmung mit der normalen Praxis der Kolbenringkonstruktion steht. Dies steht im Gegensatz zu der Situation, welche in dem US-Patent 4,019,487 für Dana Corporation offenbart wird, wo die Verbrennungsgase auf die Ringdichtungen so wirken, daß sie die vorgespannte Schließkraft auf den Dichtungsflächen entlasten.
Drittens sind entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Ringdichtungen nicht mehr gegen ihre sich bewegenden Dichtungsflächen vorgespannt - die Ringdichtungen sind gegen die stillstehende Oberfläche der Zylinderkopfbohrung vorgespannt Deren Vorspannung gegen die Dichtungsflächen des Ventils wird durch den Kompressions/Verbrennungs-Druck aktiviert, wobei die Dichtungskraft direkt proportional dem Druck der abzudichtenden Gase ist.
Weil die Ringdichtungen nicht gegen die sich drehenden Flächen des Ventils vorgespannt sind, gegen welche sie abdichten (wie im Fall des US-Patentes 4,019,487 für Dana Corporation und des US- Patents 4,852,532 für Bishop) leisten die Dichtungsringe keinen Beitrag zu Reibungsverlusten während des Ansaug- und des Auspufftaktes.
In ähnlicher Weise gibt es, da diese Dichtungen nicht in engem Kontakt mit ihren Paßflächen während des gesamten Zyklus' stehen, reichlich Gelegenheit für das Einleiten von Schmiermittel zwischen die sich drehende Fläche und die Ringdichtung. Weil jede Ringdichtung einen sehr kleinen Abstand von ihren sich drehenden Dichtungsflächen hat, wenn die Verdichtung beginnt, gibt es eine gewisse Anfangsundichtigkeit hinter der Fläche bevor der Ring sitzt, und durch die Luft mitgeführtes Schmiermittel kann deshalb zwischen diese Flächen eingeleitet werden. Als Alternative könnte ein solcher Mechanismus beim Ansaughub auftreten.
Viertens ist der Schließdruck zwischen der Ringdichtung und der sich drehenden Fläche, gegen welche diese Ringdichtung abdichtet, einheitlich, was eindeutig dann nicht der Fall ist, wenn die Ringdichtungen gegen das sich drehende Ventilelement nach innen vorgespannt sind.
Fünftens gibt es in dem Fall, in welchem blind endende axiale Schlitze verwendet werden, wie sie in dem US-Patent 4,852,532 für Bishop offenbart werden, keine Forderung nach einer Buchse um den Außendurchmesser des Ventils herum, um die Dichtungselemente unterzubringen, wie in dem US-Patent 4,019,487 für Dana Corporation offenbart. Das Ventil kann folglich viel dichter zur Oberseite der Zylinderbohrung hin angeordnet werden.
Sechstens führt, weil alle Dichtungselemente durch das Ventil angeordnet werden, irgendeine Relativbewegung zwischen dem Ventil und dem Zylinderkopf nicht dazu, daß
1) die Ringdichtungen gegen einen anderen Abschnitt der Oberfläche des Ventils reiben oder
2) die Oberfläche des Ventils gegen einen anderen Abschnitt der Oberfläche der Axialdichtung reibt.
Schließlich kann dadurch, daß man ermöglicht, daß die Dichtungsringe in dem Ventil untergebracht werden, das Ventil beträchtlich näher zur Oberseite der Zylinderbohrung angeordnet werden, was ein außerordentlich wichtiger Faktor bei der Konstruktion kompakter Verbrennungskammern mit hohem Gütegrad ist.
Es ist möglich, eine ähnliche Lösung, ausgedrückt in der Form von TELA und der Dichtungswirkung, dadurch herzustellen, daß man sowohl Axialdichtungen, als auch Ringdichtungen in der Zylinderkopfbohrung anordnet. Diese Anordnung leidet jedoch unter den anderen vorstehend diskutierten Schwierigkeiten, wenn die Ringdichtungen gegen die sich drehende Oberfläche des Ventils vorgespannt sind. Bei einer solchen Anordnung kann die Axialdichtung stumpf gegen die axiale Innenseite jeder inneren Ringdichtung stoßen. Alternativ können die über den Umfang verlaufenden Endflächen der inneren Ringdichtung stumpf gegen die axial außenliegenden Seiten der Axialdichtungen stoßen.
Dies sind zwei mögliche Herangehensweisen für die Abdichtung der axialen Strömung von Hochdruckgas nach außen. Es gibt das Kolbenringverfahren, von welchem ein Beispiel vorstehend beschrieben worden ist und welches in derselben Weise funktioniert, wie die innere Ringdichtung, mit der Ausnahme, daß es die axiale Strömung von Gas nach außen abdichtet, wohingegen die innere Ringdichtung die axiale Strömung von Gas nach innen abdichtet.
Die zweite Herangehensweise besteht darin, eine Gleitringdichtung mit Druckausgleich zu verwenden. Die einfache Anordnung wird in Fig. 8 veranschaulicht. Eine innere Teilringdichtung 41 ist untergebracht und funktioniert wie vorstehend beschrieben. Eine durchlaufende Gleitringdichtung 42 ist leicht axial mit Hilfe von Feder 43 gegen die radiale Fläche 50 an Ventil 10 vorgespannt. Ein Rundring 44 verhütet das axiale Ausströmen von Gas hinter den Außendurchmesser von Gleitringdichtung 42.
Die Lage der Hochdruckgase und die Richtung, in welcher dieser Druck wirkt, werden in Fig. 8 gezeigt. Rundring 44 wird axial durch Stützring 45 und Sprengring 45 in Bohrung 19 fixiert. Durch Änderung der Tiefe der Fläche 47 an der Gleitringdichtung kann der Schließdruck bei der radialen Fläche 50 verändert werden - es ist folglich eine Gleitringdichtung mit Druckausgleich.
Diese Anordnung hat den zusätzlichen Vorteil, daß sie nicht nur eine Gasabdichtung bildet, welche die axiale Strömung von Hochdruckgasen hindert, sondern daß sie gleichzeitig eine Ölabdichtung bildet, welche die Bewegung von Öl nach innen verhütet, welches notwendigerweise um die äußere Hüllkurve der Gleitringdichtung herum vorhanden ist.
Eine alternative Anordnung wird in Fig. 9 gezeigt. Hier dichten die Gleitringdichtung mit Druckausgleich und die innere Teilringdichtung beide gegen dieselbe radiale Fläche 50 von Ventil 10 ab. Der Grad des Druckausgleichs ist jetzt eine Funktion der Dimension D, und das Ergebnis ist, daß ein viel größerer Grad an Druckausgleich zur Verfügung steht.
Verglichen mit der Kolbenringlösung leiden diese beiden Anordnungen unter dem Nachteil, daß die Lage von Stützring 45 in dem Gehäuse fest ist. Jede Bewegung des Ventils bezogen auf das Gehäuse muß deshalb aufgenommen werden.
Zusätzlich liegt die Gleitringdichtung mit Druckausgleich immer gegen die radiale Fläche 50 von Ventil 10. Dies hat den Vorteil, daß es so möglich ist, die Gas- und die Ölabdichtungsfunktionen zu kombinieren. Weil jedoch die Menge an entweichender Luft durch die Dichtungsfläche während des Verdichtungs- und des Verbrennungshubes immer größer sein muß, als die Menge an entweichendem Öl durch diese Fläche während des Ansaughubes (als Folge des höheren Druckgradienten und der geringeren Viskosität von Luft) wird jedes Vorhandensein von Öl an diesen Flächen bald vollkommen entfernt sein. Beim Nichtvorhandensein von Materialien, welche ohne Schmierung funktionieren, wird bald ein Fressen auftreten. Andererseits wird die Menge an erforderlichem Schmiermittel als Ergebnis des Druckausgleichs, welcher mit der Gleitringdichtungskonstruktion erreicht werden kann, herabgesetzt.
Ausgedrückt in der Form von Reibungsverlusten der Dichtungsanordnung wird der Reibungsverlust als Folge der mit konstanter Federbelastung in Kontakt mit Ventil 10 drückenden Gleitringdichtung 42 durch den reduzierten maximalen Dichtungsdruck als Folge des Druckausgleiches ausgeglichen.
Der andere zu betrachtende bedeutsame Faktor sind die "Spalt"- Volumina. Es sind dies winzige Volumina, welche angrenzend an die Dichtungselemente existieren und wesentlich für das ordnungsgemäße Funktionieren der Dichtungselemente sind. Es sind dies Volumina, welche zwischen Flächen enthalten sind, die so nahe aneinander liegen, daß es unmöglich ist, daß eine Flamme in diesen Gebieten brennt. Das Ergebnis ist, daß das in diesen Räumen vorhandene Luft/Kraftstoff-Gemisch unverbrannt bleibt und abgegebene Leistung und Kraftstoffökonomie nachteilig beeinflußt werden. Zusätzlich wird das unverbrannte Kraftstoff/Luft-Gemisch teilweise während des Ausstoßhubes ausgestoßen und trägt zu Kohlenwasserstoffemissionen bei.
In allgemeinen Begriffen der Größe ist dieses Problem eine Funktion des Spaltvolumens als Anteil des Volumens der Verbrennungskammer am T.D.C. (oberen Totpunkt OT). Eine schlechte Konstruktion und Aufmerksamkeit gegenüber dem Detail könnte ergeben, daß sich dieses Verhältnis 5 % nähert.
Ähnliche Probleme entstehen für den Fall, daß eine Undichtigkeit hinter den Dichtungen stattfindet. Die Luft/Kraftstoff-Undichtigkeit hinter den Dichtungen repräsentiert verlorene Leistung und Kraftstoffökonomie, aber reduzierte Kohlenwasserstoffemissionen, weil deren Luft-Kraftstoff-Gemisch teilweise wieder in das Ansaugsystem zurückgeführt wird.
Bei der Betrachtung der relativen Verdienste dieser Gasabdichtungsanordnungen sind die Spaltvolumina und die Undichtigkeitsraten wesentliche Erwägungen.
Die Gleitringdichtung mit Druckausgleich hat eine Undichtigkeit von nahezu Null, doch kann deren Spaltvolumen ziemlich groß werden, wenn eine beträchtliche Bewegung zwischen dem Ventil und der Zylinderkopfbohrung untergebracht werden muß. Die früher angeführte Lösung mit der Außenringdichtung hat eine etwas größere Undichtigkeit, aber potentiell kleinere Spaltvolumina.
Die relativen Verdienste jedes Systems erfordern eine Untersuchung für jede spezielle Anwendung. Es ist deshalb wesentlich, die Spaltvolumina auf ein absolutes Minimum herabzusetzen.
Spaltvolumina bestehen bei allen konventionellen Verbrennungsmotoren. Der bedeutsamste Beitrag ist der Bereich um die Kolbenringe herum. Es sollte beachtet werden, daß die Spaltvolumina um die Drehventile herum weniger von Bedeutung sind, als jene um den Kolbenring herum. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß die Zündkerze angrenzend an die Aussparung in dem Zylinderkopf angeordnet ist und Gase, die in Spaltvolumina angrenzend an diese Zone vorhanden sind, zuerst verbrennen. Die Kolbenringspalten liegen an dem am weitesten entferntliegenden Punkt von der Zündkerze. Die Gase, die an diese Spalten angrenzen, werden deshalb als letzte verbrannt. Wenn der Zylinderdruck ansteigt, wenn die Verbrennung stattfindet, dann wird eine immer weiter ansteigende Masse an unverbranntem Luft/Kraftstoff-Gemisch in die Spaltvolumina um die Kolbenringe herum hineingedrückt. Wenn das Gas um die Zylinderkopfaussparung herum schon verbrannt ist, wird dieser Druck nur zusätzliche verbrannte Mischung hineinschieben.
Nehmen wir an, daß das radiale Spiel zwischen Ventil 10 und Zylinderkopfbohrung 19 gering ist, dann sind der Hauptbeitrag zu den Spaltvolumina die Volumina unter den Axialdichtungen und um die Dichtungsringe herum. Bei aus einem Stück bestehenden Zylinderköpfen ist das Volumen unter den Axialdichtungen verhältnismäßig groß, weil Spiel unter diesen Dichtungen vorgesehen sein muß, um ein Zusammendrücken der Axialdichtungen zu ermöglichen, so daß die Ansätze an jedem Ende jeder Axialdichtung nicht mit dem Ventil und den Ringdichtungen während des Zusammenbaus in Konflikt kommt.
Spaltvolumina um die Dichtungsringe herum ergeben sich aus dem axialen Spiel des Rings zur über den Umfang verlaufenden Nut (gering), dem radialen Spiel der Unterseite der über den Umfang verlaufenden Nut zum Innendurchmesser des Dichtungsringes (möglicherweise groß, wenn Toleranzen nicht eng vorgeschrieben sind), dem Trennabstand zwischen den inneren und den äußeren Ringdichtungen und dem Vorhandensein nur eines Teildichtungsringes in den über den Umfang verlaufenden Innenringnuten (großes Volumen).
Diesen Problemen wendet sich die in Fig. 10 gezeigte Ausführungsform der Erfindung zu. Hier sind sowohl die inneren Ringdichtungen 23 und 24, als auch die äußeren Ringdichtungen 25 und 26 in derselben sich über den Umfang erstreckenden Nut 39 mit nur einem geringen Spiel untergebracht. Wie vorstehend müssen die blind endenden gekrümmten Schlitze 27 und 28 eine Tiefe von Null erreichen, bevor sie die äußere Ringdichtung erreichen.
Alternativ ist es zulässig, daß die blind endenden gekrümmten Schlitze 27 und 28 eine Tiefe von Null hinter der axial inneren Fläche der äußeren Ringdichtungen 25 und 26 erreichen, vorausgesetzt, sie erreichen eine Tiefe von Null in einer vernünftigen Entfernung vor der axial äußeren Fläche der äußeren Ringdichtungen 25 und 26.
Es ist wesentlich, daß immer ein kleiner Spalt zwischen den inneren Ringdichtungen 23 oder 24 und den äußeren Ringdichtungen 25 oder 26 aufrechterhalten wird, um sicherzustellen, daß Hochdruckgas zwischen diesen Ringdichtungen wandert und folglich die Ringdichtungen gegen ihre Dichtungsflächen innerhalb ihrer entsprechenden über den Umfang verlaufenden Nut vorspannt. Um dies zu erreichen, kann eine lokalisierte erhöhte Fläche 51 entweder auf die axial innerste Fläche der äußeren Ringdichtungen 25 und 26 oder die axial äußerste Fläche der inneren Ringdichtungen wie in Fig. 11 gezeigt maschinell aufgebracht werden.
Der Raum in der über den Umfang verlaufenden Nut für die innere Ringdichtung, welcher vorher als Ergebnis der Tatsache unbelegt geblieben ist, daß die innere Ringdichtung ein Teilring ist, wird jetzt durch das Vorhandensein eines zusätzlichen Segmentes von Ring 48 in Fig. 12 gefüllt. Die Enden dieses Ringelementes werden radial entspannt, damit sie oben auf den Ansätzen an den Enden der Axialdichtungen 21 und 22 sitzen können und damit ihre Enden stumpf gegen die innere Teilringdichtung 23 stoßen. Eine alternative Anordnung wird in Fig. 13 gezeigt, bei der innere Dichtungsring 23 jetzt ein vollständiger Ring mit Ausschnitten in seinem Umfang ist, um Platz für die Ansätze an dem Ende der Axialdichtungen 21 und 22 zu ermöglichen.
Zusätzlich wird der Teil des Ringes, welcher den Raum zwischen den Axialdichtungen 21 und 22 belegt, an seinem Außendurchmesser um eine radiale Tiefe E gleich dem oder größer als das Spiel zwischen dem Ventil 10 und der Zylinderkopfbohrung 19 entspannt. Dies stellt sicher, daß Gas den Hohlraum zwischen den inneren und den äußeren Ringdichtungen erreichen kann und folglich eine Verbindung zwischen der ersten Dichtungsdruckkammer und der zweiten Dichtungsdruckkammer ermöglicht wird.
Bei dieser Anordnung liegen die Enden der axialen Dichtungen nicht mehr stumpf gegen die äußeren radialen Flächen der in dem Umfang verlaufenden Nuten des inneren Ringes. Sie liegen vielmehr stumpf gegen die axial inneren Flächen der äußeren Ringdichtung. Dies hat zwei Vorteile: erstens liegen sie stumpf gegen eine feststehende Fläche und nicht gegen eine sich drehende Fläche, und zweitens erstreckt sich die Oberfläche, gegen welche die Axialdichtung anliegt, jetzt bis zur Zylinderkopfbohrung 19.
Dies bedeutet, daß bei einem Nichtvorhandensein von Ansätzen an den Enden der Axialdichtungen die Enden der Axialdichtungen immer noch die äußeren Ringdichtungen (d.h. die anstoßende Fläche) um einen Betrag überlappen, der gleich dem radialen Spiel des Ventils zur Zylinderkopfbohrung ist. Ein axiales Fixieren der Axialdichtungen ist folglich möglich, ohne daß Ansätze 32 und 33 erforderlich sind.
Für den Fall, daß ein Vorhandensein von Ansätzen 32 und 33 ein unerwünschtes Spaltvolumen unter den Axialdichtungen schafft, sind zwei Handlungswege möglich:
(a) die Ansätze nur von der hinteren Axialdichtung entfernen. Weil das sich drehende Ventil immer die innere Ringdichtung in Richtung auf die vomliegende Axialdichtung drückt, ist ein Ansatz an dieser Axialdichtung alles, was erforderlich ist;
(b) die Ansätze von beiden Axialdichtungen entfernen und die innere Ringdichtung mit Hilfe eines Stiftes lokalisieren, welcher in der Zylinderkopfbohrung befestigt ist. Diese Lösung hat den Nachteil, daß ein Element (d.h. der Stift) des Dichtungssystems jetzt in der Zylinderkopfbohrung fixiert ist. Ohne den Stift werden alle Dichtungselemente mit Hilfe des Ventils selbst lokalisiert. Für den Fall, daß sich die axiale Lage des Ventlls in der Bohrung ändert, sind alle Dichtungselemente gezwungen, sich mit dem Ventil zu bewegen. Eine Anbringung des Stiftes an der inneren Ringdichtung würde folglich eine genaue axiale Lokalisierung bezogen auf die über den Umfang verlaufenden Nuten erfordern und muß ausreichendes Seitenspiel in diesen über den Umfang verlaufenden Nuten haben, um jeder axialen Bewegung des Ventils Rechnung zu tragen. Ein solcher Stift wird bei 49 in Fig. 14 veranschaulicht. Zusätzlich muß, weil die Orientierung der inneren Ringdichtung bezogen auf die Axialdichtungen jetzt durch den Stift und nicht durch die Axialdichtungen selbst bestimmt wird, das Spiel F erhöht werden, um den Herstellungstoleranzen Rechnung zu tragen, und es muß ein Spiel F an den Schnittstellen der inneren Ringdichtungen mit beiden Axialdichtungen vorgesehen sein - anders als beim vorliegenden fall, wo ein Spielspalt F nur an der vorderen Axialdichtung existiert. Die sich ergebende größere Undichtigkeit muß gegen die Reduzierung beim Spaltvolumen ausgeglichen werden, die man durch das Entfernen des Ansatzes erreicht. Die Anordnung beider Dichtungsringe in derselben über den Umfang verlaufenden Nut bietet einen zusätzlichen Vorteil insofern, als sie für ein Verfahren zur physischen Einspannung der äußeren Ringdichtung gegen Drehung sorgt. Wenn die äußere Ringdichtung in einer gesonderten Nut angeordnet wird, dann ist eine physische Einspannung gegen Drehung nur dann verfügbar, wenn ein in dem Zylinderkopf angebrachter Stift verwendet wird. Ein solcher Stift hat die Nachteile, auf die vorstehend verwiesen worden ist. Die beste Lösung ist generell, das Querschnitts-Schlankheitsverhältnis der äußeren Ringdichtung so anzuordnen, daß Drehung verhindert wird. Für den Fall einer nur sehr geringen Schmierung zwischen der äußeren Ringdichtung und dem Ventil kann dies unzureichend sein, um ein Trudeln der äußeren Ringdichtung in der Bohrung zu verhüten. Wenn sowohl die innere, als auch die äußere Ringdichtung in derselben über den Umfang verlaufenden Nut angeordnet sind, dann kann die äußere Ringdichtung mit der inneren Ringdichtung mit Hilfe einer Anordnung in der Form von Nut und Feder verkeilt werden - bei welcher sich eine seitlich vorspringende Feder an einer Seite einer Ringdichtung in eine ähnlich geformte Nut auf der angrenzenden Seite der anderen Ringdichtung erstreckt. Wenn mit Hilfe einer Anordnung bei den Axialdichtungen verhütet wird, daß sich die innere Ringdichtung dreht, dann ist die äußere Ringdichtung jetzt gegen eine Drehung eingespannt.

Claims

1. Drehventilvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit einem hohlzylindrischen Ventil (10), wobei das Ventil einen oder mehrere Kanäle (11, 12) hat, die als Öffnungen (13, 14) in dessen Umfang enden, einem Zylinderkopf (16) mit einer Bohrung (19), in der sich das Ventil in einer vorbestimmten engen Spielpassung dreht, wobei in der Zylinderkopfbohrung eine mit einer Verbrennungskammer in Verbindung stehende Aussparung (15) vorgesehen ist und wobei sich die Öffnungen aufgrund der Drehung nacheinander mit der Aussparung in Ausrichtung befinden, zumindest einer Lagereinrichtung (18) an jeder axialen Seite der Aussparung (15) zur Lagerung des Ventils in der Zylinderkopfbohrung, wobei die Lagereinrichtungen dazu dienen, die vorbestimmte enge Spielpassung beizubehalten, axial verlaufenden Dichtungselementen (21, 22), die in der Zylinderkopfbohrung eingesetzt sind, sich bezüglich der Bohrung über ein Ausmaß nach innen erstrecken, das gleich der vorbestimmten engen Spielpassung ist, und gegen die Umfangsfläche des Ventils (10) vorgespannt sind, wobei die axial verlaufenden Dichtungselemente (21, 22) in axial verlaufenden Nuten (27, 28) eingesetzt sind, die in der Zylinderkopfbohrung ausgebildet sind, und wobei in Umfangsrichtung bezüglich der Aussparung an jeder Seite zumindest eine Nut angeordnet ist, zwei inneren Umfangsdichtungselementen (23, 24), die entlang der Achse des Ventils angeordnet sind, in in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten (34, 35) eingesetzt sind, die entweder in der Umfangsfläche des Ventils oder der Zylinderkopfbohrung ausgebildet sind, und in radialer Richtung gegen die Oberfläche des jeweils anderen Teils vorgespännt sind, wobei jedes dieser inneren Umfangsdichtungselemente (23, 24) jeweils an dem äußersten axialen Ende der axial verlaufenden Dichtungselemente (21, 22) und direkt benachbart dazu angeordnet ist, einer ersten Dichtungsdruckkammer, die wegen der Wirkung der vorbestimmten engen Spielpassung vorhanden ist und die in Umfangsrichtung zwischen den axial verlaufenden Dichtungselementen (21, 22) an jeder Seite der Aussparung (15) ausgebildet sowie in axialer Richtung durch die Flächen der Innenseiten der inneren Umfangsdichtungselemente (23, 24) begrenzt ist, wodurch während der Verbrennung wegen der Verbindung zwischen der Aussparung und der Verbrennungskammer durch Hochdruck-Verbrennungsgas die erste Dichtungsdruckkammer mit Druck beaufschlagt wird, wodurch die axial verlaufenden Dichtungselemente (21, 22) radial nach innen gegen die Umfangsfläche des Ventils (10) in eine Richtung zur Erh:hung der Vorspannung und in Umfangsrichtung nach außen gegen die Seiten der axial verlaufenden Nuten (27, 28) gedrückt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei äußere Umfangsdichtungselemente (25, 26) ebenfalls entlang der Achse des Ventils (10) angeordnet sind und zumindest jeweils eines davon relativ zu jedem inneren Umfangsdichtungselement (23, 24) in axialer Richtung nach außen versetzt ist, wodurch zwei zweite Dichtungsdruckkammern gebildet sind, die jeweils in axialer Richtung an jeder Seite der Aussparung (15) zwischen benachbarten inneren und äußeren Umfangsdichtungselementen liegen, und daß Durchgangseinrichtungen ein Strömen von Hochdruck-Verbrennungsgas von der ersten Dichtungsdruckkammer in die zweiten Dichtungsdruckkammern ermöglichen, wodurch während der Verbrennung bewirkt wird, daß die zweiten Dichtungsdruckkammern durch die äußeren Umfangsdichtungselemente (25, 26) abgedichtet werden, um eine axial nach außen gerichtete Bewegung des Gases zu verhindern, und daß bewirkt wird, daß die inneren Umfangsdichtungselemente (23, 24) axial nach innen gedrückt werden, um gegen die axial am weitesten innen liegenden Seiten der in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten (34, 35) abzudichten, und in radiale Richtung gedrückt werden, um gegen die Fläche abzudichten, gegen die sie vorgespannt sind.

2. Drehventilvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Lagereinrichtungen (18) Rollenlager sind.

3. Drehventilvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die beiden inneren Umfangsdichtungselemente (23, 24) unterbrochene O-Ringe vom Typ eines Kolbenrings sind und in in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten (34, 35) eingesetzt sind, die in der Umfangsfläche des Ventils (10) ausgebildet sind, wobei sich die unterbrochenen O-Ringe in Umfangsrichtung über mehr als 180º zwischen den in Umfangsrichtung nach außen zeigenden Flächen der axial verlaufenden Dichtungselemente erstrecken, die von der Aussparung entfernt sind, wodurchdie Durchgangseinrichtungen gebildet sind.

4. Drehventilvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die beiden inneren Umfangsdichtungselemente (23, 24) vom Typ eines Kolbenrings sind, in in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten (34, 35) eingesetzt sind, die in der Umfangsfläche des Ventils (10) ausgebildet sind, und in radialer Richtung gegen die Fläche der Zylinderkopfbohrung (19) vorgespannt sind, wobei die Umfangsfläche der beiden inneren Umfangsdichtungselemente benachbart zu der Aussparung (15) zumindest teilweise in radialer Richtung unterbrochen ist, um die Durchgangseinrichtungen zu bilden.

5. Drehventilvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 oder Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei der jedes axial verlaufende Dichtungselement (21, 22) ein Materialstreifen mit parallel verlaufenden Seitenflächen ist, wobei dessen in radialer Richtung am meisten nach innen liegende Dichtungsfläche konkav abgerundet ist, um der Umfangsfläche des Ventils zu entsprechen, wobei zumindest eines der axial verlaufenden Dichtungselemente an jedem Ende mit einem sich in radialer Richtung nach innen erstreckenden Vorsprung (32, 33) versehen ist, der dazu ausgestaltet ist, um in die in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten (34, 35) des Ventils (10) einzugreifen, wobei die Umfangsfläche der beiden inneren Umfangsdichtungselemente (23, 24) benachbart zu den Vorsprüngen stellenweise unterbrochen ist, um zu ermöglichen, daß die Vorsprünge in die in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten eingreifen, wobei die Vorsprünge wirken, um eine Drehung der beiden inneren Umfangsdichtungselemente zu verhindern.

6. Drehventilvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 oder Anspruch 3 oder Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei der zumindest ein äußeres Umfangsdichtungselement (25, 26) vom Typ eines Kolbenrings ist und in eine äußere, in Umfangsrichtung verlaufende Nut (36, 37) eingesetzt ist, die in der Umfangsfläche des Ventils in axialer Richtung außerhalb der in Umfangsrichtung verlaufenden Nut (34, 35) angeordnet ist, in der das innere Umfangsdichtungselement (23, 24) eingesetzt ist.

7. Drehventilvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 oder Anspruch 3 oder Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei der zumindest ein äußeres Umfangsdichtungselement (25, 26) vom Typ eines Kolbenrings ist und in der gleichen in Umfangsrichtung verlaufenden Nut (38, 39) angeordnet ist wie das benachbarte innere Umfangsdichtungselement (23, 24).

8. Drehventilvorrichtung nach Anspruch 7, bei der zumindest eines der Umfangsdichtungselemente in jeder in Umfangsrichtung verlaufenden Nut an einer der sich radial erstreckenden Flächen davon zumindest einen stellenweise erhöhten Bereich (51) hat, wobei die sich radial erstreckende Fläche unmittelbar benachbart zu einer sich radial erstreckenden Fläche an dem anderen Umfangsdichtungselement liegt und wobei durch den erhöhten Bereich sichergestellt ist, daß Hochdruck-Gas immer zwischen die sich radial erstreckenden Flächen der Umfangsdichtungselemente eintreten kann.

9. Drehventilvorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei der zumindest eines der äußeren Umfangsdichtungselemente (25, 26) mit einem benachbarten inneren Umfangsdichtungselement mit Hilfe einer Nut und Federanordnung eingreift, wobei eine seitlich vorstehende Feder an einer sich radial erstreckenden Fläche von einem Umfangsdichtungselement sich in eine entsprechend geformte Nut an der benachbarten, sich radial erstreckenden Fläche des anderen Umfangsdichtungselementes erstreckt, wodurch das äußere Umfangsdichtungselement gegen Drehung gesichert ist.

10. Drehventilvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 oder Anspruch 3 oder Anspruch 4 oder Anspruch 6 oder Anspruch 7 oder Anspruch 8 oder Anspruch 9, bei der die Drehung in Umfangsrichtung von jedem inneren Umfangsdichtungselement durch einen sichradial erstreckenden Stift (49) verhindert wird, der in der Zylinderkopfbohrung (19) befestigt ist.

11. Drehventilvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 oder Anspruch 3 oder Anspruch 4 oder Anspruch 5 oder Anspruch 10, bei der jedes äußere Umfangsdichtungselement (25, 26) eine Druckregelungsdichtung umfaßt.