EP1170467B1 - Dichtungssystem - Google Patents

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EP1170467B1 EP01115078A EP01115078A EP1170467B1 EP 1170467 B1 EP1170467 B1 EP 1170467B1 EP 01115078 A EP01115078 A EP 01115078A EP 01115078 A EP01115078 A EP 01115078A EP 1170467 B1 EP1170467 B1 EP 1170467B1
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Hofmann Arno
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L7/00—Rotary or oscillatory slide valve-gear or valve arrangements
    • F01L7/16—Sealing or packing arrangements specially therefor

Definitions

  • the invention relates to a sealing system for a heat engine or work machine.
  • the sealing system seals a space filled with gas, the gas pressure in that space pulsating (i.e. swelling or fluctuating) or constant against a moving one or resting body that covers part of its circumference or surface with this gas space surrounds, and avoids all the design disadvantages listed below of the already existing Sealing systems.
  • This sealing system is used in heat engines (piston engines, Turbines) and working machines (compressors), in which a gas-filled space according to the above Criteria should be sealed.
  • Sealing systems for the above-mentioned purposes are, for example, for slide controls for Internal combustion engines are known and in the publications DE 37 20 082 A1 (Krüger), DE 37 20 084 A1 (Krüger), EP 0 624 718 A1 (Coates), FR-A-2 429 323 (Honda), NSU seal, automotive engineering Newspaper, No. 6, 1954, page 146, picture 7c, as well as DVL-WVW rotary valve control, Motortechnische Zeitschrift, No. 9, 1960, page 363.
  • the invention strikes Sealing system in front, consisting of a closed slide ring, one with an open joint Sealing ring and a device that the sealing ring with its surface against the surface of the Sliding ring presses, whereby the sliding ring with its sliding surface against the tread of the to be sealed Body is pressed, the slide ring along a perpendicular through the Center of gravity of the sliding surface axis in a recess in the fixed housing is guided, the sealing ring in its radial wall thickness regardless of the outer diameter the slide ring is designed and is guided coaxially to the slide ring in the housing, and the device the sealing ring with a gas pressure that is constant or freely adjustable in its amount independent force pushes against the slide ring.
  • the sealing system shown in FIGS. 1A to 1C consists of a slide ring 15, a Sealing ring 5 and a device 6, which the sealing ring 5 with a constant or adjustable, force independent of the gas pressure against the slide ring 15.
  • This device 6 is exemplified here by a spring.
  • the through the device 6 on the sealing ring 5th exerted collar can be mechanical and / or pneumatic and / or hydraulic and / or are generated electromagnetically by a corresponding design of the device 6.
  • the slide ring 15 is a closed ring, which is perpendicular to the axis 1 through the Center of gravity of the sliding surface 4 leads, rotationally symmetrical, elliptical or arbitrarily point symmetrical can be, as illustrated in Figures 3 to 5.
  • the contour of the face 4 is adapted to the tread 3 of the body 2 to be sealed.
  • the end face 4 of the sliding ring 15 can have a material coating or a material insert with good sliding properties or the Slide ring 15 can be made entirely of a material with good sliding properties.
  • the sealing ring 5 has a radial joint 12 and is thus an open ring.
  • the sealing ring 5 lies with its end face 10 on the end face 14 of the slide ring and its inner surface 9 is aligned with the inner surface 11 of the slide ring 15.
  • the gas pressure acts on the end face 8 and the inner surface 9 of the sealing ring 5, as a result of which this axially presses with its end face 10 against the end face 14 of the sliding ring 15 and this with its end face 4 is pressed against the tread 3 of the body 2 to be sealed. While any movement of the body 2 moves its tread 3 only tangentially to the sliding surface 4 of the sliding ring 15.
  • the pressure acting on the surface 9 spreads the sealing ring 5 radially, so that its outer peripheral surface 7 is gas-tight on the housing 13 and the axial Mobility of the sealing ring 5 is hindered. This will forward the to End face 8 of the sealing ring 5 exerted gas force on the slide ring 15 reduced.
  • the force that results from the gas pressure acting on the end face 8 also increases the sealing ring 5 attacking force of the device 6 superimposed.
  • the end face 8 of the sealing ring is smaller than its circumferential sealing face 7.
  • the axial displaceability of the sealing ring 5 and the sliding ring 12 in the recess 18 of the housing 13 ensures continuous contact with the surface 3 of the body to be sealed 2 and compensates for thermal expansion and wear on running surfaces 3 and 4.
  • FIGS. 2A, 2B and 2C is based on the embodiment according to Figures 1A, 1B and 1B, with the difference that instead of the spherical or cylindrical Tread 3 of the body 2 to be sealed, a flat tread 3 is provided.
  • a flat tread 3 is provided in your Structure and their functioning in these figures.
  • 1A to 1C and 2A to 2C illustrate a collar on the housing 13 which the axial displaceability of the sealing ring 5 in the direction pointing away from the body 2 to be sealed Direction limited.
  • the fulcrum of the body 2 is designated by the reference number 20.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Dichtungssystem für eine Wärmekraftmaschine oder Arbeitsmaschine. Das Dichtungssystem dichtet einen mit Gas gefüllten Raum, wobei der Gasdruck in diesem Raum pulsierend (d.h. schwellend oder schwankend) oder konstant sein kann, gegen einen sich bewegenden oder ruhenden Körper, der mit einem Teil seiner Umfangs- oder Oberfläche diesen Gasraum umgibt, ab und vermeidet alle nachstehend aufgeführten konstruktiven Nachteile der schon bestehenden Dichtungssysteme.
Der Einsatz dieses Dichtungssystems erfolgt in Wärmekraftmaschinen (Kolbenmotoren, Turbinen) und Arbeitsmaschinen (Verdichter), bei denen ein mit Gas gefüllter Raum nach obengenannten Kriterien abgedichtet werden soll.
Dichtungssysteme für obengenannte Einsatzzwecke sind beispielsweise bei Schiebersteuerungen für Verbrennungsmotoren bekannt und in den Druckschriften DE 37 20 082 A1 (Krüger), DE 37 20 084 A1 (Krüger), EP 0 624 718 A1 (Coates), FR-A-2 429 323 (Honda), NSU-Dichtung, Automobiltechnische Zeitung, Nr. 6, 1954, Seite 146, Bild 7c, sowie DVL-WVW-Drehschiebersteuerung, Motortechnische Zeitschrift, Nr. 9, 1960, Seite 363, beschrieben.
Diese bekannten Dichtungssysteme lassen sich durch folgende Merkmale beschreiben:
Geometrische Eigenschaften:
  • Rotationssymmetrische oder spiegelsymmetrische Gleitdichtsysteme mit stirnseitiger Gleitfläche (eben, kugelförmig oder zylindrisch konkav).
  • Der Gleitfläche gegenüberliegende, vom Verbrennungsdruck beaufschlagte stirnseitige Fläche, deren Größe betragsmäßig gleich oder kleiner der Gleitfläche ist. Abhängig vom Größenverhältnis der Gleitfläche zur Druckstirnfläche, reduziert sich die Flächenpressung an der Gleitfläche, jedoch ist diese immer proportional zum Gasdruck.
Funktionelle Eigenschaften:
  • Die Anpreßkraft der Dichtung an den Schieber wird einerseits durch den Druck im Brennraum, der auf die der Gleitfläche gegenüberliegende Stirnfläche wirkt, bewirkt, andererseits durch eventuell vorhandene Federn, die das Dichtungssystem mit einer konstanten Kraft an den Schieber pressen. Beide Kräfte addieren sich und führen abhängig vom Gasdruck zu Schwankungen der Anpreßkraft der Dichtung gegen den Schieber.
  • Eine Ausnahme bildet das Dichtungssystem Krüger (DE 37 20 082 A1), bei dem die Anpressung der Gleitfläche an den Schieber nur durch Federkräfte hervorgerufen wird und somit eine vom Gasdruck unabhängige, aber konstante Anpressung erzielt wird.
Nachfolgende Tabelle legt dar, welche funktionellen Nachteile sich für jedes der obengenannten Dichtungssysteme ergeben.
Coates DVL Honda Krüger NSU
Große Bauhöhe (Höhe größer als Wandstärke) x x x x x
Geringe axiale Elastizität x x x x
Brennraumdruck entspricht Flächenpressung am Gleitdichtring x x
Gasdruckerzeugte Flächen-pressung am Gleitdichtring ist proportional dem Gasdruck x x x x x
Diese hier aufgeführten Nachteile von Dichtungssystemem zeigen folgende Auswirkungen im motorischen Betrieb:
  • Die große Bauhöhe des Dichtungssystems hat große wärmeaufnehmende Oberflächen und Zerklüftung des Brennraums (Quencheffekte) zur Folge.
  • Die geringe axiale Elastizität des Dichtungssystems verhindert ein Anpassen der Gleitdichtfläche an mechanische oder thermische Deformierungen der Schieberlauffläche während des Betriebs.
  • Betragsmäßig gleich große Gleitfläche und Druckstirnfläche ergeben sehr hohe Flächenpressungen an der Gleitfläche mit der Folge hoher Reibung und Verschleiß.
  • Das proportionale Anwachsen der gasdruckerzeugten Flächenpressung am Gleitdichtring durch zunehmenden Gasdruck bewirkt unerwünscht hohe Gleitringpressungen am Schieber mit der Folge hoher Reibung und Verschleiß.
Weitere Dichtungssysteme sind in der DE-PS 935 522, DE 17 56 096 U, DE 36 27 052 A1, EP 96 233 A1 und DE 23 13 388 A1 beschrieben.
Demgegenüber und insbesondere in Abgrenzung zur NSU-Dichtung schlägt die Erfindung ein Dichtungssystem vor, bestehend aus einem geschlossenen Gleitring, einem mit offenem Stoß versehenen Dichtring und einer Vorrichtung, die den Dichtring mit seiner Fläche gegen die Fläche des Gleitringes drückt, wodurch der Gleitring mit seiner Gleitfläche gegen die Lauffläche des abzudichtenden Körpers gedrückt wird, wobei der Gleitring entlang einer senkrecht durch den Flächenschwerpunkt der Gleitfläche gehenden Achse in einer Aussparung im feststehenden Gehäuse geführt wird, der Dichtring in seiner radialen Wandstärke unabhängig vom Außendurchmesser des Gleitrings gestaltet ist und im Gehäuse koaxial zum Gleitring geführt wird, sowie die Vorrichtung den Dichtring mit einer in ihrem Betrag konstanten oder beliebig einstellbaren, vom Gasdruck unabhängigen Kraft gegen den Gleitring drückt.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der Figurenbeschreibung beschrieben und näher erläutert. In den Figuren ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele dargestellt, ohne hierauf beschränkt zu sein. Es zeigt:
Figur 1A
einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemä ßen Dichtungssystems, bei dem die Lauffläche des abzudichtenden Körpers kugelförmig oder zylindrisch ist,
Figur 1B
eine vergrößerte Darstellung des in Figur 1A mit A gezeigten Bereiches,
Figur 1C
eine vergrößerte Darstellung des in Figur 1B mit B gekennzeichneten Bereiches,
Figur 2A
einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtungssystems, bei dem die Lauffläche des abzudichtenden Körpers eben ist,
Figur 2B
eine vergrößerte Darstellung des in Figur 2A mit C gekennzeichneten Bereiches,
Figur 2C
eine vergrößerte Darstellung des in Figur 2A mit D gekennzeichneten Bereiches und
Figuren 3, 4 und 5
Gleitringe, die rotationssymmetrisch, ellyptisch bzw. punktsymmetrisch ausgebildet sind.
Das in den Figuren 1A bis 1C gezeigte Dichtungssystem besteht aus einem Gleitring 15, einem Dichtring 5 und einer Vorrichtung 6, die den Dichtring 5 mit einer konstanten oder beliebig einstellbaren, vom Gasdruck unabhängigen Kraft gegen den Gleitring 15 drückt. Diese Vorrichtung 6 wird hier beispielhaft durch eine Feder dargestellt. Die durch die Vorrichtung 6 auf den Dichtring 5 ausgeübte Kragt kann mechanisch und/oder pneumatisch und/oder hydraulisch und/oder elektromagnetisch durch entsprechenden Aufbau der Vorrichtung 6 erzeugt werden.
Der Gleitring 15 ist ein geschlossener Ring, der bezüglich der Achse 1, die senkrecht durch den Flächenschwerpunkt der Gleitfläche 4 führt, rotationssymmetrisch, ellyptisch oder beliebig punktsymmetrisch sein kann, wie es in den Figuren 3 bis 5 veranschaulicht ist. Die Kontur der Stirnfläche 4 ist der Lauffläche 3 des abzudichtenden Körpers 2 angepaßt. Die Stirnfläche 4 des Gleitringes 15 kann eine Materialbeschichtung oder eine Materialeinlage mit guten Gleiteigenschaften aufweisen oder der Gleitring 15 kann vollständtg aus einem Material mit guten Geiteigenschaften bestehen.
Der Dichtring 5 besitzt einen radialen Stoß 12 und ist somit ein offener Ring. Der Dichtring 5 liegt mit seiner Stirnfläche 10 an der Stirnfläche 14 des Gleitringes an und seine Innenfläche 9 fluchtet mit der Innenfläche 11 des Gleitringes 15.
Das insoweit beschriebene Dichtungssystem funktioniert wie folgt:
Der Gasdruck wirkt auf die Stirnfläche 8 und die Innenfläche 9 des Dichtringes 5, wodurch diese axial mit seiner Stirnfläche 10 gegen die Stirnfläche 14 des Gleitringes 15 drückt und dieser mit seiner Stirnfläche 4 gegen die Lauffläche 3 des abzudichtenden Körpers 2 gedrückt wird. Während einer eventuellen Bewegung des Körpers 2 verschiebt sich dessen Lauffläche 3 ausschließlich tangential zur Gleitfläche 4 des Gleitringes 15. Der auf die Fläche 9 wirkende Druck spreizt den Dichtring 5 radial auf, so daß seine Außenumfangsfläche 7 am Gehäuse 13 gasdicht anliegt und die axiale Beweglichkeit des Dichtringes 5 behindert wird. Hierdurch wird die Weiterleitung der auf die Stirnfläche 8 des Dichtringes 5 ausgeübten Gaskraft auf den Gleitring 15 reduziert.
Der Kraft, die sich aus dem auf die Stirnfläche 8 wirkenden Gasdruck ergibt, wird die ebenfalls auf den Dichtring 5 angreifende Kraft der Vorrichtung 6 überlagert.
Die Stirnfläche 8 des Dichtringes ist kleiner als dessen Umfangsdichtfläche 7 bemessen.
Die axiale Verschiebbarkeit des Dichtringes 5 und des Gleitringes 12 in der Aussparung 18 des Gehäuses 13 gewährleistet kontinuierlichen Kontakt zur Fläche 3 des abzudichtenden Körpers 2 und kompensiert thermische Dehnung und Verschleiß an den Laufflächen 3 und 4.
Die Ausführungsform nach den Figuren 2A, 2B und 2C orientiert sich an der Ausführungsform nach den Figuren 1A, 1B und 1B, mit dem Unterschied, daß statt der kugelförmigen oder zylindrischen Lauffläche 3 des abzudichtenden Körpers 2 eine ebene Lauffläche 3 vorgesehen ist. In ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise in diesen Figuren übereinstimmende Teile sind der Einfachheit halber mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
In den Figuren 1A bis 1C und 2A bis 2C ist ein Kragen am Gehäuse 13 veranschaulicht, der die axiale Verschiebbarkeit des Dichtrings 5 in der vom abzudichtenden Körper 2 wegweisenden Richtung begrenzt. Der Drehpunkt des Körpers 2 ist mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet.

Claims (10)

  1. Dichtungssystem bei Wärmekraftcnaschinen und Arbeitsmaschinen, wobei das Dichtungssystem einen mit Gas gefüllten Raum gegen einen sich bewegenden oder ruhenden Körper abdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungssystem besteht aus einem geschlossenen Gleitring (15), einem mit offenem Stoß (12) versehenen Dichtring (5) und einer Vorrichtung (6), die den Dichtring (5) mit seiner Fläche (10) gegen die Fläche (14) des Gleitringes (15) drückt, wodurch der Gleitring (15) mit seiner Gleitfläche (4) gegen die Lauffläche (3) des abzudichtenden Körpers (2) gedrückt wird, wobei der Gleitring (15) entlang einer senkrecht durch den Flächenschwerpunkt der Gleitfläche (4) gehenden Achse (1) in einer Aussparung (18) in einem feststehenden Gehäuse (13) geführt wird, der Dichtring (5) in seiner radialen Wandstärke unabhängig vom Außendurchmesser des Gleitrings (15) gestaltet ist und im Gehäuse (13) koaxial zum Gleitring (15) geführt wird, sowie die Vorrichtung (6) den Dichtring (5), mit einer in ihrem Betrag konstanten oder beliebig einstellbaren, vom Gasdruck unabhängigen Kraft gegen den Gleitring (15) drückt.
  2. Dichtungssystem nach Anspruch 1, wobei der Gleitring (15) eine Stirnfläche (4) besitzt, die der Kontur der Lauffläche (3) des abzudichtenden Körpers (2) angepaßt ist, wobei die Lauffläche (3) des abzudichtenden Körpers (2) eben, kugelförmig oder zylindrisch sein kann (Fig. 1A, Fig. 2A).
  3. Dichtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gleitring (15) bezüglich der Achse (1) rotationssymmetrisch (Fig. 3), ellyptisch (Fig. 4) oder beliebig punktsymmetrisch (Fig. 5) ist.
  4. Dichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Gleitring (15) im Gehäuse (13) axial beweglich geführt ist.
  5. Dichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Stirnfläche (4) des Gleitringes (15) eine Materialbeschichtung oder eine Materialeinlage mit guten Gleiteigenschaften aufweist oder der Gleitring (15) vollständig aus einem Material mit guten Gleiteigenschaften besteht.
  6. Dichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Dichtring (5) im Gehäuse (13) axial beweglich geführt ist.
  7. Dichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Stirnfläche (8) des Dichtringes (5) kleiner als dessen Umfangsdichtfläche (7) bemessen ist.
  8. Dichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Dichtring (5) und/oder das Gehäuse (13) eine Formgebung besitzt, der die axiale Verschiebbarkeit des Dichtringes (5) in eine vom abzudichtenden Körper (2) sich entfernende Richtung begrenzt.
  9. Dichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die durch die Vorrichtung (6) auf den Dichtring (5) ausgeübte Kraft konstant, als auch, entsprechend dem im abzudichtenden Gasraum vorhandenen wechselnden Druck, zyklisch schwankend ist.
  10. Dichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die durch die Vorrichtung (6) auf den Dichtring (5) ausgeübte Kraft mechanisch und/oder pneumatisch und/oder hydraulisch und/oder elektromagnetisch durch entsprechenden Aufbau der Vorrichtung (6) erzeugt wird.
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