DE19548574C2 - Metallische Zylinderkopfdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine metallische Zylinderkopfdichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus US 5 378 001 ist eine Zylinderkopfdichtung bekannt, bei der zwei Bleche vorgesehen sind, in denen jeweils ein eine Bohrung, hier eine Ölbohrung, umgeben­ der Ringabschnitt vorgesehen ist, wobei diese Ringabschnitte aus Halbsicken gebil­ det sind, die unterschiedliche Steigung aufweisen und gegeneinander versetzt sind, so daß sie sich im eingespannten Zustand der Dichtung flach drücken lassen. Wenn man eine derartige Abdichtung bei einer Brennkammeröffnung verwendet, ergeben sich bei einem derartigen mehrlagigen Aufbau der mit Halbsicken versehenen Lagen starke Relativbewegungen während des Betriebs, da sich der Zylinderkopf gegen­ über dem Zylinderblock unter der in der Brennkammer stattfindenden explosions­ artigen Verbrennung bewegt. Durch diese Relativbewegungen ergibt sich ein starker Lagerversatz und ebenso ein starker Reibverschleiß.

Aus DE 43 05 974 C1 ist eine Zylinderkopfdichtung bekannt, bei der gekröpfte Zwischenbleche vorgesehen sind, wobei die Zwischenbleche nicht die federnde Ab­ dichtung übernehmen und damit keine zur Abdichtung deformierbaren Bleche dar­ stellen, sondern mit Falzblechen derart zusammenwirken, daß sich um den Brennkammerrand herum eine Überhöhung ausbildet, während elastisch verform­ bare Funktionslagen, d. h. gesickte Deckbleche, außenseitig hiervon angeordnet sind.

Aus GB 2 103 308 A ist eine Zylinderkopfdichtung bekannt, bei der die Ab­ dichtung über ein mit einer Doppelsicke versehenes Zwischenblech erfolgt, wobei die Doppelsicke zur einen und zur anderen Seite dieses Zwischenblechs gerichtet ist.

DE 42 19 709 A1 betrifft eine Dichtung mit zwei hintereinander geschalteten, in entgegengesetzte Richtungen wirkenden Sicken oder eine einzelne Vollsicke mit brennraumseitiger Überhöhung.

Aus DE 41 42 600 A1 ist es bei einer Zylinderkopfdichtung bekannt, Höhe, Breite und Härte eines in einer metallischen Dichtungsplatte vorgesehenen metallischen Brennraumdichtelements längs dessen Umfangs zu verändern.

Aus DE 295 03 628 U1 ist es bei einer metallischen Zylinderkopfdichtung be­ kannt, einen ringförmigen Abdichtungsabschnitt aus zwei Ringabschnitten, die sich um die Brennkammeröffnung erstrecken, vorzusehen, der über Schweißpunkte mit einer Trägerplatte verbunden ist.

Aus EP 0 230 804 A1 ist eine Zylinderkopfdichtung bekannt, die im einfach­ sten Fall aus einem Funktionsblech bestehen kann, das mit einer Öffnung ent­ sprechend der Brennkammeröffnung einer Brennkraftmaschine versehen ist, wobei mit Abstand um diese Öffnung herum eine federnd zusammendrückbare Sicke ver­ läuft, die zur Abdichtung des Spalts zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock dient. Hierbei wird die Sicke durch einen sich entlang der Öffnung erstreckenden, an dem Funktionsblech befestigten Ring gegen Flachdrücken geschützt. Im allgemeinen reicht eine derartige Dichtung für den vorgesehenen Anwendungsfall jedoch nicht aus, vielmehr sind hierzu mehrlagige Dichtungen mit zwei Funktionslagen üblich. Trotzdem ist die Wegamplitude, der Sicken ohne wesentliche Beeinträchtigung ihrer Lebensdauer ausgesetzt werden können, relativ gering, zumal die Steifigkeit und Festigkeit der Funktionslagen sehr hoch sein muß.

Aus DE 23 51 552 A1 ist ferner eine Flachdichtung aus einem Blechteil für re­ lativ gering beanspruche Dichtstellen bekannt, wobei das Blechteil mit einer um eine Öffnung umlaufenden, federnd zusammendrückbaren Doppelsicke zwecks Abdich­ tung versehen ist, wobei zur Mikroabdichtung das Blechteil beidseitig mit einer PTFE- Beschichtung versehen ist. Hierdurch ergibt sich aber nur auf jeder Seite eine Dichtungslinie, während die Problematik von Sicken bleibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine metallische Zylinderkopfdichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die einlagig sein kann und trotzdem eine gute Abdichtung bei verbesserter elastischer Dichtspaltdynamik sicherstellt.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem Anspruch 1 gelöst.

Die Verwendung von Abdichtungsabschnitten, die derart ausgebildet sind, daß sie aus zwei durch einen Versatzringabschnitt getrennte, konzentrische, parallel ver­ setzte Ringabschnitte gebildet werden, von denen der radial äußere Ringabschnitt in der Ebene des Funktionsblechs liegt, während der radial innere Ringabschnitt um die jeweilige Öffnung herum verlaufend gegenüber der Ebene des Funktionsblechs ver­ setzt ist, führt dazu, daß sich die Vorteile der plastischen und elastischen Bauarten von Dichtungen vereinigt werden. Hierdurch wird die zulässige Dichtspaltdynamik verbessert, d. h. die zulässige Wegamplitude vergrößert, während geringere Bauteil­ steifigkeiten und -festigkeiten erforderlich sind. Der benötigte Bauraum ist gering. Außerdem ergeben sich weitere Vorteile in Buchsenmotoren aufgrund der Krafteinleitung.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in Draufsicht ausschnittweise eine Ausführungsform einer Zylinderkopfdichtung.

Fig. 2 zeigt vergrößert einen Schnitt längs der Linie II-II von Fig. 1.

Fig. 3a bis 3c zeigen das Einspannen der Zylinderkopfdichtung von Fig. 1 im Bereich des Schnittes von Fig. 2.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt entsprechend der Linie III-III von Fig. 1 für eine weitere Ausführungsform.

Fig. 5 zeigt in Draufsicht eine Ausführungsform einer weiteren Flachdichtung.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Zylinderkopfdichtung umfaßt ein Funktionsblech 1, das mit mehreren, aneinandergereihten Öffnungen 2 entsprechend den Brennkammern einer Brennkraftmaschine versehen ist. Zu­ sätzliche Schraubenlöcher 3 und Öffnungen 4 zum Hindurchleiten von Öl oder Kühlwasser sind vorgesehen. Das Funktionsblech 1 besteht insbeson­ dere aus einem temperaturstabilen, hochfesten Stahl, etwa Edel- oder Fe­ derstahl.

Um jede Öffnung 2 herum ist ein Abdichtungsabschnitt ausgebil­ det, der aus zwei durch einen Versatzringabschnitt 5 getrennte, konzen­ trische, parallel versetzte Ringabschnitte 6', 6" gebildet wird, von de­ nen der äußere Ringabschnitt 6' in der Ebene des Funktionsblechs 1 liegt, während der innere Ringabschnitt 6" um die jeweilige Öffnung 2 herum verlaufend gegenüber der Ebene des Funktionsblechs 1 versetzt ist.

Hierdurch wird beim Einspannen ein Kippmoment erzeugt, so daß der Abdichtungsabschnitt im eingespannten Zustand zylinderkopf- wie zy­ linderblockseitig zur Anlage kommt. Somit ergeben sich nach beiden Sei­ ten jeweils zwei um die Öffnung 2 umlaufende Dichtungslinien. Dies führt zu einer guten Abdichtung.

Der Versatzringabschnitt 5, der im allgemeinen eine Breite von etwa 0,3 bis ca. 1 mm aufweist, aber auch partiell größer sein kann, ist sehr fest und steif, während die beiden Ringabschnitte 6', 6" demgegen­ über relativ lang und elastisch sind, so daß die Zylinderkopfdichtung der durch die Explosionen des Brennstoff-Luft-Gemisches im Zylinder be­ wirkten Relativbewegung zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock zu fol­ gen vermag, ohne daß die Dichtwirkung beeinträchtigt wird.

Der Abdichtungsabschnitt kann durch Prägen hergestellt werden.

Die Versatzringbreite a des Versatzringabschnitts 5, die dem Spalt zwi­ schen Prägestempel und Matrize entspricht, kann ebenso wie seine Ver­ satzhöhe s, die allgemein im Bereich von wenigen Zehntel mm liegt, vari­ iert werden, um gezielt über den Umfang hinweg die Pressung, die im Be­ reich der Schraubenlöcher 3 höher als in den dazwischen liegenden Berei­ chen sein wird, zu erhöhen oder zu erniedrigen und damit insgesamt die Pressung zu vergleichmäßigen. Je geringer die Versatzringbreite a ist, desto stärker ist bei der Umformung die Plastifizierung und damit infol­ ge entsprechend verminderter Rückfederung im Anschluß an die Umformung desto größer die sich, dann ergebende Versatzhöhe s. Deshalb erfolgt aus Gründen der Kosten für die Werkzeuge die Variation vorzugsweise über ei­ ne Variation der Versatzringbreite a.

Aber auch die anderen Parameter wie das Material und die Dicke d des Funktionsblechs 1, die Breite 1a des äußeren Ringabschnitts 6', die Breite l_i des inneren Ringabschnitts 6" und der enge Kantenradius R lassen sich zur Optimierung der Pressung verwenden.

Zweckmäßigerweise können radial außen zu dem äußeren Ringab­ schnitt 6' Trennschlitze 7 (gestrichelt angedeutet) angeordnet sein, die insbesondere benachbart zu den Schraubenlöchern 3' durch Stege 8 vonein­ ander getrennt sind. Die Aufgabe der Trennschlitze 7 besteht darin, den Bereich der Ringabschnitte 6', 6" von der Restfläche des Funktionsblechs 1 zu trennen, um hier ein definiertes Verformungsverhalten zu erreichen, das von der Restfläche des Funktionsblechs 1 unbeeinflußt ist.

Durch Entgratung, Verrundung, Abplattung od. dgl. der beim Ein­ spannen der Dichtung zur Anlage gelangenden Kanten kann ein örtli­ che Pressungsreduzierung durch Flächenvergrößerung erzielt werden. Hier­ durch können unerwünschte Eingrabungen verhindert oder vermindert wer­ den.

Zweckmäßigerweise wird das Funktionsblech 1 mit einer Einlauf­ beschichtung etwa in Form eines Festschmierstoffs, beispielsweise Molyb­ dändisulfit, Gleitlack od. dgl., in einer Stärke von etwa 40 µm oder mehr (bis etwa 100 µm), d. h. in einer Stärke etwas größer als die Oberflä­ chenrauheit der Gegenbauteile, versehen. Hierdurch können "Mikrofres­ ser", die potentielle Undichtigkeitsstellen darstellen, vermieden werden, indem die Rauheiten ohne derartige Fresser beim Einlaufen abgear­ beitet werden können. Beim Abarbeiten der Rauheiten wird der Traganteil der Gegenflächen drastisch erhöht und schließlich ein stabiler Zustand erreicht. Ferner führt die Beschichtung, die nur temporär wirken und vorhanden sein muß, zu einer guten Schmierung bei hoher Pressung und Temperatur.

Auch die bereits angesprochene Flächenvergrößerung an den Außenkanten durch Entgratung und dergleichen trägt hierzu bei. In den Fig. 3a bis 3c ist das Einspannen einer Zylinderkopf­ dichtung gemäß Fig. 1 und 2 bei einer Zylinderlaufbuchsen 11 aufweisen­ den Brennkraftmaschine dargestellt. Zunächst wird der innere Ringab­ schnitt 6" von der von dem Zylinderblock 12 aufgenommenen Zylinderlauf­ buchse 11 beaufschlagt, während der äußere Ringabschnitt 6' vom Zylin­ derkopf 13 beaufschlagt wird, Fig. 3a. Hierdurch wird ein Kippmoment M um den Drehpunkt D erzeugt. Dies bewirkt das Kippen des Abdichtungsab­ schnitts um den Drehpunkt D, so daß der äußere Ringabschnitt 6' mit dem Zylinderkopf 12 und der innere Ringabschnitt 6" mit dem Zylinderkopf 13 zusätzlich in Eingriff gelangen, um dementsprechend vier Dichtungslinien auszubilden, vgl. Fig. 3b. Bei weitere Verspannen werden die beiden Ringabschnitte 6', 6" elastisch verformt, Fig. 3c. Es bilden sich dabei zwei äußere Anlagebereiche A_ZK und A_ZB durch elastische Biegung der Ringabschnitte 6', 6" und zwei innere Anlagebereiche I_ZK und I_ZLB her­ aus, die vorrangig durch plastische Verformung gebildet werden.

Vorteilhaft greift der innere Anlagebereich I_ZLB am äußeren Buchsenrand bzw. am vom Zylinderblock 12 abgestützten Buchsenbund, falls ein solcher vorhanden ist, an, wodurch ein deutlich reduziertes Moment auf die Zylinderlaufbuchse 11 ausgeübt wird, so daß sich deren Rißgefahr entsprechend vermindert.

Ein Über- oder -unterstand der Zylinderlaufbuchsen 11 kann außerdem durch eine derartige Zylinderkopfdichtung gegenüber dem Zylin­ derblock 12 überbrückt werden, indem l_a und l_i unterschiedlich gewählt werden.

Durch unterschiedliche Breiten l_a und l_i wird allgemein ein unterschiedliches elastisches Verhalten auf der Innen- und Außenseite des Versatzringabschnitts 5 erreicht.

Wie Fig. 4 zeigt, kann die Zylinderkopfdichtung auch mehrla­ gig ausgebildet sein, wobei (ein- oder) beidseitig von der Funktionsla­ ge 1 ein entsprechend konturiertes Deckblech 14 angeordnet sein kann. Letztere können dazu verwendet werden, die Stärke der Dichtung an eine vorgeschriebene Dichtspaltbreite anzupassen, und eignen sich ferner da­ zu, über entsprechende Halbsicken 15 andere Öffnungen 4 abzudichten (die sonst beispielsweise durch anvulkanisierte Elastomerabschnitte abgedich­ tet werden können). Die Deckbleche 14 wirken Eingrabungen, die beim Ein­ spannen durch die beschriebene Anlageflächenvergrößerung auftreten kön­ nen, entgegen.

Gegebenenfalls kann auch benachbart zur Öffnung 2 ein Überhö­ hungsring 16 angeordnet werden, der an dem Funktionsblech 1 oder an dem Deckblech 14 beispielsweise über Schweißpunkte befestigt oder durch Um­ falzen des Innenrandes des Deckblechs 14 oder eines weiteren Falzblechs (nicht dargestellt) gebildet sein kann. Dies ist vor allem bei Motoren ohne Buchsenüberstand zweckmäßig, um eine Brennraumüberhöhung dichtungs­ seitig darzustellen.

Diese Brennraumüberhöhung kann bei Einlagen- und Mehrlagen­ dichtungen auch dadurch erzeugt werden, daß die Blechdicke des aus den Ringabschnitten 6', 6" und dem Versatzringabschnitt 5 gebildeten Brenn­ raumrings der mit benachbarten Brennraumringen gegebenenfalls auch zu einer Brille zusammengefaßt sein kann, dicker gewählt wird als die umge­ benden Dichtungslage.

Bei entsprechend schmalen Stegen zwischen den Brennkammern ei­ ner Brennkraftmaschine können die Abdichtungsabschnitte brillenartig vereinigt sein.

Eine derartige metallische Flachdichtung ist aber nicht nur als Zylinderkopfdichtung für Brennkraftmaschinen allgemein und insbeson­ dere für solche mit Zylinderlaufbuchsen geeignet, sondern auch für alle hoch beanspruchten Dichtstellen wie beispielsweise die Dichtstelle zwi­ schen Zylinderkopf und Auslaßkrümmer oder zwischen Abgasstrang und Ab­ gasturbolader. In den letztgenannten Fällen kann die Flachdichtung im einfachsten Fall als Ring ausgebildet sein, der einen inneren und einen äußeren Ringabschnitt 6', 6" umfaßt, die in versetzten Ebenen liegen und durch einen Versatzringabschnitt 5 miteinander verbunden sind.

Zweckmäßig wird ein derartiger Ring jedoch in eine Trägerplat­ te 1' intergriert, wobei er, vorteilhafterweise benachbart zu Schrauben­ löchern 3, mit der Trägerplatte 1' über Stege 8 verbunden und ansonsten durch Trennschlitze 7 getrennt sein kann, wie in Fig. 5 dargestellt ist.

Auch bei einer derartigen Flachdichtung kann ein Überhöhungs­ ring vorgesehen werden und/oder es können die Breite des Versatzringab­ schnitts 5 und/oder die übrigen in Fig. 1 angegebenen Größen variiert werden.

Claims (9)

1. Metallische Zylinderkopfdichtung mit einer Trägerplatte (1), in der für jede Brennkammeröffnung (2) ein ringförmiger Abdichtungsabschnitt um die Brennkammeröffnung (2) herum vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdichtungsabschnitt aus einem einlagigen Blech mit einem äußeren, in der Ebene der Trägerplatte liegenden und mit dieser über zu den Schraubenlöchern (3) benachbarte Stege (8) verbundenen Ringabschnitt (6') und einem inneren Ring­ abschnitt (6") gebildet wird, die in im wesentlichen zueinander parallel versetzten Ebenen liegen und durch einen Versatzringabschnitt (5) miteinander derart ver­ bunden sind, daß beim Einspannen ein Kippmoment erzeugt wird, so daß der Abdichtungsabschnitt an beiden verspannten Bauteilen (11, 12, 13) zur flächigen Anlage kommt.

2. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart zum Innenrand des mindestens einen Rings ein Überhöhungsring (16) vorgesehen ist.

3. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Deckblech (14) vorgesehen ist.

4. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überhöhungsring (16) durch Umfalzen eines Deckblechs (14) gebildet oder an einem Deckblech (14) befestigt ist.

5. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Deckblech (14) zum Abdichten zusätzlicher Öffnungen (4) gesickt ist.

6. Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Einlaufbeschichtung, insbesondere in Form eines Festschmier­ stoffs, vorgesehen ist.

7. Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Außenkanten (9, 10) des inneren und äußeren Rings (6', 6"), die mit den zu verspannenden Bauteilen (11, 12, 13) in Eingriff gelangen, in ihrer Fläche vergrößert sind.

8. Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Breite des Versatzringabschnitts (5) und/oder des inneren und/oder äußeren Ringabschnitts (6', 6") und/oder die Versatzhöhe über den Umfang variieren.

9. Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie als Zylinderkopfdichtung für eine Brennkraftmaschine ein Funk­ tionsblech (1) umfaßt, das mit einer oder mehreren Öffnungen (2) entsprechend ab­ zudichtenden Brennkammeröffnungen der Brennkraftmaschine versehen ist, wobei um jede Öffnung (2) herum verlaufend der Abdichtungsabschnitt angeordnet ist, der aus dem radial inneren und dem radial äußeren Ringabschnitt (6', 6") gebildet wird, die in versetzten Ebenen mit dem äußeren Ringabschnitt (6') in der Ebene des Funktionsblechs (1) liegen und durch den Versatzringabschnitt (5) miteinander ver­ bunden sind.