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Nachfolgend werden eine Ventilschaftdichtung eines Hubkolbenmotors, ein Hubkolbenmotor sowie ein Kraftfahrzeug beschrieben. Die Ventilschaftdichtung dient zur Abdichtung zwischen einer ölführenden Seite und einer gasführenden Seite des Hubkolbenmotors, wobei die Ventilschaftdichtung eine Durchführung für einen Ventilschaft eines Ventils definiert und wobei die Ventilschaftdichtung an dem Ventilschaft zumindest bereichsweise anliegend ausgestaltet ist.
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Ventilschaftdichtungen, Hubkolbenmotoren und sowie Kraftfahrzeuge der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik bekannt. Zur Steuerung des Ladungswechsels in Verbrennungsmotoren werden bei Viertaktmotoren fast ausschließlich und bei Zweitaktmotoren oft Tellerhubventile verwendet. Entsprechende Ventile bestehen aus einem Ventilteller, der einen Ein- oder einen Auslass-Kanal im geschlossenen Zustand gegen einen passend geschliffenen oder gedrehten Ventilsitz in einem Zylinderkopf abdichtet. Der Ventilteller geht parabelförmig in einen Ventilschaft über, um den vorbeiströmenden Gasen möglichst geringen Widerstand zu bieten. Der Ventilschaft ist ein langer, dünner Zylinder, der fest mit dem Teller verbunden ist. Ventilschaft und Ventilteller können einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein.
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Ventile sind thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Bauteile, die zusätzlich noch korrosiven Einflüssen ausgesetzt sind. Die mechanischen Beanspruchungen entstehen infolge von Durchbiegung des Ventiltellers unter Zünddruck, durch hartes Aufsetzen beim Schließen und durch Massenkräfte infolge hoher Beschleunigungen. Durch entsprechende Stärke und Formgebung des Tellers sind diese Spannungen beeinflussbar. Vom Verbrennungsraum her nehmen die Ventile mit großer Oberfläche Wärme auf. Das Auslassventil wird während des Öffnens auch durch die ausströmenden heißen Abgase auf der Oberseite erhitzt. Im Ventil fließt die Wärme vor allem zum Ventilsitz, ein kleinerer Teil über den Schaft zur Ventilführung. Einlassventile erreichen häufig Temperaturen von 300°C bis 500°C, Auslassventile 600°C bis 800°C.
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Einer Ventilschaftdichtung kommt dabei besondere Bedeutung zu. Wenn die Ventilschaftdichtung am Ventilsitz während der Verbrennungsphase nicht einwandfrei abdichtet, entstehen örtliche Überhitzungen und Anschmelzungen, die zum Versagen des Ventils führen. Des Weiteren wird der Ventilschaft sehr oft mit sehr hoher Geschwindigkeit durch die Ventilschaftdichtung hindurchgeführt. Die Ventilschaftdichtung wird daher auch mechanisch hoch belastet. Zudem sollte eine Ventilschaftdichtung möglichst reibungsarm funktionieren, um den Reibungswiderstand des Hubkolbenmotors gering zu halten.
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Aus der
WO 2016/198205 ist ein Ventil einer Brennkraftmaschine bekannt, mit zumindest einer beschichteten Stelle, an der das Ventil eine Nickel aufweisende Haftschicht aufweist, das Ventil eine Nickel und Borcarbid oder eine Nickel-Wolfram oder Nickel-Eisen und Borcarbid aufweisende Verschleißschutzschicht aufweist, wobei das Ventil nachbearbeitet ist.
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In der
WO 2009/056239 A1 ist beschrieben, dass der Ventilschaft eine Chrombeschichtung oder ähnlich verschleißfeste Beschichtung aufweisen kann.
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Die
EP 0 519 158 A1 offenbart desweiteren eine Ventilschaftabdichtung für Brennkraftmaschinen mit hohem Druck in den Ein- und/oder Auslaßkanälen, bestehend aus einem verformungssteifen Gehäuse, in dem ein elastomerer Dichtkörper angeordnet ist, welcher mindestens zwei am Ventilschaft anliegende, in entgegengesetzte Richtungen wirkende Dichtlippen aufweist, wobei eine zur Medienseite gerichtete Dichtlippe als Öllippe und eine zur Brennraumseite gerichtete Dichtlippe als Gaslippe fungiert, sowie einem auf die Ventilführung aufsteckbaren Haftteil und einer radiale Bewegungen zulassenden elastischen Membran, welche mit der Öllippe verbunden ist, wobei die Gaslippe axial außerhalb des Membranbereiches direkt mit dem Haftteil verbunden ist, und dass zwischen Gaslippe und Membran ein druckstabiler Bereich vorgesehen ist, so dass Öl- und Gaslippe schwingungstechnisch voneinander entkoppelt sind.
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Die
EP 0 627 546 B1 zeigt eine Ventilschaftdichtung, umfassend ein formbeständiges Rohr, das an dem einen Ende durch einen radial nach außen vorstehenden, ersten Flansch begrenzt ist und an dem anderen Ende durch einen Zylinderabschnitt, in den parallel zu der Achse des Rohres ein Dichtring selbsthemmend eingefügt ist, der mit dem Außenumfang einer den Ventilschaft umschließenden, rohrförmig ausgebildeten Ventilführung dichtend verpressbar ist und eine Dichtlippe aufweist, die die Ventilführung in axialer Richtung überragt und den Ventilschaft dichtend berührt, wobei der Zylinderabschnitt den Dichtring und die Dichtlippe auf der gesamten Länge übergreift, wobei der Zylinderabschnitt in einem radial nach innen vorstehenden, zweiten Flansch endet und wobei die Dichtlippe zur Gewährleistung einer guten Relativbeweglichkeit einen Abstand von dem Zylinderabschnitt und dem zweiten Flansch aufweist.
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Ventilschaftdichtungen in Verbrennungsmotoren sind im Stand der Technik aus Fluorelastomer-Verbindungen hergestellt. Dies bedingt eine merkliche Reibung. Zudem verschleißen entsprechende Dichtungen im Laufe der Zeit. Zudem ist es schwierig, bei bekannten Ventilschaftdichtungen eine Öldosierrate vorzugeben.
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Somit stellt sich die Aufgabe, Ventilschaftdichtungen, Hubkolbenmotor und Kraftfahrzeuge der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine Ventilschaftdichtung reibungsreduziert und langlebig sowie mit gut dosierbarer Öldosierrate angegeben werden kann
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Ventilschaftdichtung gemäß Anspruch 1, einen Hubkolbenmotor gemäß dem nebengeordneten Anspruch 5 sowie durch ein Kraftfahrzeug gemäß dem nebengeordneten Anspruch 6. Weiterführende Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Nachfolgend wird eine Ventilschaftdichtung eines Hubkolbenmotors beschrieben, die zur Abdichtung zwischen einer gasführenden Seite und einer ölführenden Seite des Hubkolbenmotors dient. Die Ventilschaftdichtung definiert eine Durchführung für einen Ventilschaft eines Ventils, wobei die Ventilschaftdichtung an dem Ventilschaft im montierten Zustand zumindest bereichsweise anliegend ausgestaltet ist.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Ventilschaftdichtung zumindest im Kontaktbereich zum Ventilschaft mit einer DLC-Beschichtung versehen ist.
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Eine DLC-Schicht ist eine amorphe Kohlenstoffschicht, also eine dünne Schicht, die überwiegend aus dem chemischen Element Kohlenstoff besteht. Die amorphen Kohlenstoffschichten werden nach VDI 2840 wie folgt eingeteilt:
- – Wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten, a-C, bestehen überwiegend aus sp2-hybridisierten Bindungen und werden deshalb auch als Graphitartige Kohlenstoffschichten bezeichnet.
- – Tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten, ta-C, bestehen überwiegend aus sp3-hybridisierten Bindungen, weshalb ihre mechanischen Eigenschaften diamantähnlich sind.
- – Metallhaltige wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten, a-C:Me
- – Wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten, a-C:H (H-Anteil > 35 %)
- – Tetraedrische wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten, ta-C:H (H-Anteil > 25%) mit überwiegend sp3-hybridisierten Kohlenstoffatomen.
- – Metallhaltige wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten, a-C:H:Me: Durch Dotieren mit Metallen bildet sich ein Verbund aus einer a-C:H Matrix und Metallkarbiden. Schichten aus diesem Material besitzen hohe Verschleißfestigkeiten, geringe Reibkoeffizienten sowie bessere Haftung der Schichten. Durch Veränderung des Metallgehaltes lassen sich die Materialeigenschaften stark beeinflussen.
- – Modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten, a-C:H:X: Durch Dotierung mit Elementen wie Si, O, N, F und B können amorphe Kohlenstoffschichten je nach gewünschten Eigenschaften stark modifiziert werden. Silizium beispielsweise erhöht die Temperaturbeständigkeit in sauerstoffhaltiger Umgebung. Eine Dotierung mit Silizium und Sauerstoff kann die Oberflächenspannung stark herabsetzen.
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Die Abscheidung der DLC-Schicht kann mit den Verfahren der chemischen (CVD) oder physikalischen (PVD) Gasphasenabscheidung erfolgen, wobei dies meist in einem Vakuum geschieht. Sie werden als Dünnschichten in Schichtdicken von wenigen Mikrometern abgeschieden
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Die Verwendung einer entsprechenden DLC-Schicht in einer Ventilschaftdichtung erlaubt niedrigere Reibwerte sowie größere Haltbarkeit.
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In einer weiterführenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ventilschaftdichtung zumindest auf einer dem Ventilschaft zugewiesenen Seite vollständig mit der DLC-Beschichtung versehen ist. Dies erleichtert gegenüber einer teilweisen Beschichtung das Beschichtungsvefahren.
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In einer anderen weiterführenden Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Ventilschaftdichtung zur Öldosierung zur Schmierung einer Ventilschaftführung ausgestaltet ist. Dies erlaubt eine einstellbare Öldosierrate.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die dem Ventilschaft zugewiesene Seite der Ventilschaftdichtung im Querschnitt C-Vermerk ausgestaltet ist. Auf diese Weise lassen sich zwei Dichtlippen realisieren, von denen eine zur Gasabdichtung und die andere zur Ölabdichtung dienen kann. Dadurch, dass im Wesentlichen zwei Anlagebereiche geschaffen werden, kann die Reibung zwischen Ventilschaftdichtung und Ventilschaft gegenüber einer großflächigeren Anlage reduziert werden.
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Ein erster unabhängiger Gegenstand betrifft einen Hubkolbenmotor mit wenigstens einer Ventilschaftdichtung der vorgenannten Art.
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Ein weiterer unabhängiger Gegenstand betrifft ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Hubkolbenmotor der vorgenannten Art.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen schematisch:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Ventils mit einem Ventilschaft und einer Ventilschaftdichtung;
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2 eine plane Ansicht des Ventils aus 1 mit einem Ventilschaft und einer Ventilschaftdichtung;
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3 eine Schnittdarstellung des Ventils gemäß der Schnittlinie A-A aus 2, sowie
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4 eine Vergrößerung eines Ausschnitts Z aus 3.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ventils 2 mit einem Ventilschaft 4 und einer Ventilschaftdichtung 6.
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Das Ventil 2 ist aus zwei Teilen hergestellt. Das Ventil 2 weist einen Ventilteller 6 auf, der mit dem Ventilschaft 4 verbunden ist. Hierfür kann das Verfahren des Reibschweißens verwendet werden.
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Das Ventil 2 wird im Betrieb zwischen zwei Extrempositionen hin- und her bewegt. Der Ventilteller 6 schließt in einer der beiden Extrempositionen entweder einen Einlasskanal oder einen Auslasskanal eines (nicht dargestellten) Hubkolbenmotors eines (nicht dargestellten) Kraftfahrzeugs ab, wohingegen in der anderen Extremposition der entsprechende Einlasskanal oder Auslasskanal zur Einströmung oder zum Auslass von Gas dient. Der Ventilteller 6 ist strömungsoptimiert parabelförmig gestaltet.
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Das Ventil 2 wird von der Ventilschaftdichtung 6 geführt. Die Ventilschaftdichtung 6 Art des Weiteren die Aufgabe, eine gasführende Seite 10 des Hubkolbenmotors von einer ölführenden Seite 12 zu trennen.
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2 zeigt eine plane Ansicht des Ventils 2.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung des Ventils 2 gemäß der Schnittlinie A-A aus 2.
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Die Ventilschaftdichtung 6 definiert eine Durchführung für den Ventilschaft 4. Die Ventilschaftdichtung 6 weist einen Dichtkörper 14 auf, der mit einer DLC-Beschichtung 16 beschichtet ist.
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Der Dichtkörper 14 weist eine 1. Dichtlippe 20 und eine 2. Dichtlippe 22 auf, die an dem Ventilschaft 4 anliegen.
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4 zeigt eine Vergrößerung eines Ausschnitts Z aus 3.
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Die 1. Dichtlippe 20 dient zur Ölabdichtung der ölführenden Seite 12. Die 2. Dichtlippe 22 dient zur Gasabdichtung der gasführenden Seite 10. Der Bereich zwischen den beiden Dichtlippen 20, 22 ist im Querschnitt C-förmig ausgestaltet. Dieser Bereich ist DLC-beschichtet.
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Die Ventilschaftdichtung 6 weist einen Ring 24 zur Vorspannung des Dichtkörper des 14 an den Ventilschaft 4 auf. Die Ventilschaftdichtung 6 weist des Weiteren ein Gehäuse 26 zur Aufnahme des Dichtkörpers 14 auf.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Ventil
- 4
- Ventilschaft
- 6
- Ventilschaftdichtung
- 8
- Ventilteller
- 10
- gasführende Seite
- 12
- ölführende Seite
- 14
- Dichtkörper
- 16
- DLC-Beschichtung
- 18
- Querschnitt
- 20
- 1. Dichtlippe
- 22
- 2. Dichtlippe
- 24
- Ring
- 26
- Gehäuse
- A-A
- Schnittlinie
- Z
- Ausschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2016/198205 [0005]
- WO 2009/056239 A1 [0006]
- EP 0519158 A1 [0007]
- EP 0627546 B1 [0008]
