DE69109657T2

DE69109657T2 - Dichtungsvorrichtung zwischen dem zylinderkopf und der zylinderlaufbuchse.

Info

Publication number: DE69109657T2
Application number: DE69109657T
Authority: DE
Inventors: Jean Frederic Melchior
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-09-06
Filing date: 1991-09-04
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2011-09-05
Also published as: FI922018A0; EP0500884A1; CA2067393A1; FR2666628B1; DE69109657D1; AU649480B2; US5209197A; JPH05502499A; WO1992004562A1; KR920702478A; EP0500884B1; ATE122441T1; DK0500884T3; AU8512291A; FR2666628A1; FI922018A; BR9105897A; ES2072014T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsvorrichtung zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinder einer Gaskompressionsmaschine mit mindestens einer, im Inneren eines in einem Maschinenkörper angeordneten Zylinders vorgesehenen, Arbeitskammer von variablem Volumen, die durch einen Zylinderkopf begrenzt wird, der auf diesem Maschinenkörper mit Hilfe von in diesem eingesetzten Schrauben gehalten wird, und durch einen hin und her bewegten Kolben, der im Zylinder geführt ist, der eine herausnehmbare Laufbuchse aufweist, die in eine im genannten Maschinenkörper vorgesehene Bohrung eingepaßt ist, hierbei ist der Kolben mit Dichtungsringen versehen, die mit der Innenwand der Laufbuchse in Kontakt stehen. Unter "Dichtungsringen" werden im vorliegenden Fall geschlitzte Segmente und/oder nicht geschlitzte Dichtungen verstanden.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere - jedoch nicht ausschließlich - auf eine Dichtungsvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen, wobei es sich bei dem obengenannten Maschinenkörper um einen üblicherweise als "Zylinderblock" bezeichneten Maschinenkörper handelt. Solche Motoren können gleichermaßen als Zweitakt- oder Viertaktmotoren ausgeführt und sowohl mit einer Kerzenzündung ausgestattet sein oder selbstzündend arbeiten; zudem kann es sich sowohl um aufgeladene als auch um nicht aufgeladene Motoren handeln.
Eine Brennkammer in einer Verbrennungskraftmaschine wird im allgemeinen umgrenzt durch
- einen Kolben, der in einem im Zylinderblock untergebrachten Zylinder eine Schiebebewegung ausführt und mit Dichtungsringen ausgestattet ist,
- den eigentlichen Zylinder und
- den mittels Schrauben auf der Oberseite des Zylinderblocks montierten Zylinderkopf.
Während bei älteren Ausführungsformen der Zylinder allgemein aus einer Ausbohrung bestand, die direkt in den Zylinderblock eingebracht wurde, beinhalten die meisten modernen Ausführungsformen aus Gründen der leichteren Wartung und Austauschbarkeit eine getrennte Laufbuchse, die zwischen dem Kolben und dem Zylinderblock angeordnet ist.
Es ist bekannt, daß es zwei Laufbuchsen für Verbrennungskraftmaschinen gibt, nämlich Naßlaufbuchsen und Trockenlaufbuchsen, wobei der Unterschied darin besteht, daß die Laufbuchsen der erstgenannten Bauart an ihrer Außenoberfläche mit einem Motorkühlmittel in Berührung stehen, solche der letztgenannten Bauart dagegen nicht.
Im allgemeinen ist eine Naßlaufbuchse dick genug, um für sich allein den Kräften standzuhalten, die durch den Druck des in der Brennkammer vorhandenen Gases entstehen; zudem ist sie an einem Ende mit einem dicken und relativ hohen Flansch versehen, der eine nennenswerte axiale Verformung verhindert und - wie in der später näher erläuterten Fig. 8 dargestellt - zwischen der Auflagefläche des Maschinenkörpers und dem Zylinderkopf eingeklemmt ist, wobei sich die Laufbuchse unabhängig vom Maschinenkörper über ihre gesamte restliche Länge nach unten ausdehnen kann. Üblicherweise ist eine doppelte Dichtungsvorrichtung (Wasser/Luft und Luft/Öl) im unteren Teil der Laufbuchse (also an dem der Flanschseite gegenüberliegenden Ende) vorgesehen, was mit Hilfe von Ringverbindungen bewerkstelligt wird, die in Rillen liegen, welche in der Laufbuchse eingefräst sind. Überdies wird die Dichtigkeit gegenüber dem komprimierten Gas durch eine dünne, separate Zylinderkopfdichtung gewährleistet, die bei der Montage während des Anziehens der Zylinderkopfschraubem irreversibel verformt wird.
Demgegenüber ist eine trockene Laufbuchse zu dünn, um für sich allein den Kräften standzuhalten, die durch den Druck des Gases in der Brennkammer entstehen. Eine solche Laufbuchse wird fest in einer in den Maschinenkörper eingebrachten Ausbohrung montiert, die somit die genannten Kräfte aufnimmt. Der Maschinenkörper wird durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt, die insgesamt im Inneren des Maschinenkörpers in vorgesehenen Kanälen zirkuliert, wobei die Kühlung der Laufbuchse durch Wärmeableitung zum Maschinenkörper hin erfolgt. Die Dichtigkeit gegenüber dem komprimierten Gas ist im allgemeinen mit derjenigen einer nassen Laufbuchse vergleichbar.
Die vorangegangenen Betrachtungen behalten - zumindest zum überwiegenden Teil - auch im Falle von Gaskompressionsmaschinen ihre Gültigkeit, die eine andere Ausführungsforrn aufweisen als Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere im Fall von Kompressoren.
In den Druckschriften US-A 2 721 542 und GB-A-2 088 949, die jeweils den Stand der Technik gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wiedergeben, hat man bereits vorgeschlagen, in einem Block eine Laufbuchse anzuordnen, deren unteres Ende an der einen Seite des Blocks anliegt und deren oberes, freies Ende leicht über die Oberkante des Blocks hinausragt, damit die durch Temperaturschwankungen hervorgerufenen Verformungen reduziert werden.
Zwischen dem Block und der Laufbuchse einerseits und dem Zylinderkopf andererseits wird eine Zylinderkopfdichtung angeordnet, damit ein Ausgleich der elastischen Verformung gewährleistet ist, die durch die Materialspannungen von den Zylinderkopfschrauben, mit denen der Zylinderkopf auf dem Block fixiert ist, hervorgerufen wird.
Diese Dichtungen sind kritische Komponenten für den Betrieb von Systemen der genannten Art, zudem begrenzt die Dicke der Laufbuchse in den genannten Ausführungsformen ihre elastische Longitudinalverformung derart, daß diese Vorrichtungen - insbesondere im Hinblick auf die Dichtigkeit - äußerst empfindlich auf Einflüsse der verwendeten Werkstoffe und die durch die Zylinderkopfschrauben vom Zylinderkopf auf den Block ausgeübten Anzugskräfte reagieren.
Ziel der Erfindung ist die Schaffüng einer neuen Dichtvorrichtung zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinder einer Gaskompressionsmaschine. Ein weiteres Ziel besteht darin, eine Dichtvorrichtung zu verwirklichen, die in der Lage ist, erhöhten Gasdrücken standzuhalten, wobei größere zyklische Deformationen aufgenommen werden können. Im Falle von flüssigkeitsgekühlten Maschinen verfolgt die Erfindung außerdem das Ziel, die Kühlung zu verbessern, indem der Abstand zwischen den der Kühlflüssigkeit und dem Gas ausgesetzten Flächen der Laufbuchse verringert wird. Durch die Verwendung dünner Laufbuchsen besteht ein weiteres Ziel der Erfindung darin, den Achsabstand der Zylinder und somit die Abmessungen des Motors bei vorgegebenem Maximaldruck des Gases zu verringern. Schließlich verfolgt sie das Ziel, eine Dichtvorrichtung zu verwirklichen, für die keine separate Zylinderkopfdichtung benötigt wird, so daß die neue Dichtvorrichtung im allgemeinen nach dem Abmontieren des Zylinderkopfes weiterverwendet werden kann.
Die Erfindung bezieht sich auf
- eine Abdichtungsvorrichtung zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinder einer Gaskompressionsmaschine mit wenigstens einer im Inneren eines in einem Maschinenkörper angeordneten Zylinders vorgesehenen Arbeitskammer, mit veränderlichem Volumen, die begrenzt wird durch einen Zylinderkopf (1), der auf diesem Maschinenkörper mit Hilfe von in diesem eingebauten Schrauben gehalten wird, und durch einen in hin- und hergehender Bewegung angetriebenen Kolben, der im Zylinder geführt ist, der eine herausnehmbare Laufbuchse (7) aufweist, die in eine im genannten Maschinenkörper befindliche Ausbohrung eingepaßt ist, hierbei ist der Kolben mit Dichtringen versehen, die mit der Innenwand der Laufbuchse in Kontakt stehen, wobei die Höhe (L) der Laufbuchse vor dem Festziehen des Zylinderkopfes so groß ist, daß beim Aufliegen des Zylinderkopfes auf der Oberseite der Laufbuchse vor dem Festziehen an der unteren Abstützfläche des Maschinenkörpers ein als "Über-Höhe" (h) bezeichneter Abstand zwischen den Abstützflächen des Zylinderkopfes und dem Maschinenkörper vorhanden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- der obere Abschnitt der Außenfläche der Laufbuchse Bestandteil einer zylindrischen Oberfläche ist, die durch eine vorzugsweise kreisförmige Leitkurve und zur Achse des Zylinders parallelen Mantellinien gebildet wird und entlang derer sich die Laufbuchse zumindest über den größten Teil seiner Länge erstreckt;
- daß die Laufbuchse dünn gestaltet ist im Sinne, daß sie durch die infolge der Befestigung mit den Schrauben ausgeübte Kraft verformt werden kann;
- daß die Laufbuchse zumindest über den größten Teil ihrer Länge axial komprimiert wird, und zwar direkt zwischen dem Zylinderkopf und einer im Maschinenkörper angeordneten darunterliegenden kreisförmigen Abstützfläche;
- daß die Über-Höhe (h) genügend klein ist, daß der Zylinderkopf vom Zeitpunkt des Festziehens an unmittelbar auf dem Maschinenkörper aufliegt, ohne daß irgendein Teil des Materials, aus dem der Zylinderkopf, die Laufbuchse und der Maschinenkörper besteht, seine elastischen Verformungsgrenzen erreicht, wobei die Auflagekraft unter Berücksichtigung der Dicke (e) der Laufbuchse größer ist als die maximale, vom Gasdruck auf den Zylinderkopf ausgeübte Kraft, jedoch so groß, daß der Kontakt zwischen Laufbuchse und Zylinderkopf während des Betriebs der Maschine jederzeit aufrechterhalten bleibt.
Der Außendurchmesser der Laufbuchse ist vor dem Festziehen des Zylinderkopfes in bezug auf den Durchmesser der im Maschinenkörper vorhandenen Bohrung vorzugsweise so bemessen, daß die Laufbuchse, nachdem die Baugruppe einmal montiert und mit Hilfe der Zylinderkopfschrauben auf der Oberfläche des Maschinenkörpers befestigt ist, hierbei liegt die Laufbuchse radial an der Oberfläche der Bohrung an mit einem Druck der, unter Berücksichtigung der Reibungskoeffizienten, ausreichend gering ist, um mikroskopisch kleine Axialbewegungen der Laufbuchse in der Bohrung zu ermöglichen, die durch die Verformungen des Zylinderkopfes oder aufgrund von Phänomenen der differentiellen Materialausdehnung hervorgerufen werden.
Die hier verwendeten Positionsangaben wie "oben" und "unten" deuten darauf hin, daß die hin- und hergehende Maschine so angeordnet ist, daß ihre Zylinder vertikal ausgerichtet sind und am oberen Ende durch den Zylinderkopf abgeschlossen werden. Es sei aber ausdrücklich darauf hingewiesen, daß diese Maschine im Betrieb eine beliebige Position einnehmen kann.
Die erfindungsgemäße Laufbuchse ist somit dünn und befindet sich im Betrieb in einer im Maschinenkörper vorgesehenen Bohrung. Sie weist nicht den üblichen Flansch auf und ist auf ihrer gesamten Länge oder zumindest auf dem größten Teil ihrer Gesamtlänge in Sandwichform aufgebaut, wodurch die Dichtheit gegenüber dem gasförmigen Medium nach dem Festziehen des Zylinderkopfes unmittelbar gewährleistet wird, ohne daß hierfür eine zusätzliche Zylinderkopfdichtung eingefügt zu werden braucht.
Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen hervor, die anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.
Die Fig. 1 und 2 der Zeichnungen zeigen einen Teilradialschnitt einer erfindungsgemäßen Dichtungsvorrichtung und zwar vor bzw. nach dem Festziehen der Zylinderkopfschrauben.
Fig.3 zeigt dieselbe Vorrichtung in einem Querschnitt nach der in Fig. 2 eingezeichneten Linie III-III.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 3 in einem größeren Maßstab, wobei die Verformungen der Laufbuchse im Bereich einer Rille dargestellt sind, die von der Kühlflüssigkeit durchströmt wird.
Die Fig. 5 und 6 zeigen schematisch bestimmte Phänomene der Laufbuchsen- und der Zylinderkopfverformung.
Die Fig. 7 und 8 zeigen in analogen Ansichten, wie die Fig. 2, die Unterschiede zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik.
Fig. 9 ist eine schematische Querschnittdarstellung zur Veranschaulichung der bei der Laufbuchse auftretenden Verformungserscheinung.
Fig. 10 zeigt eine Variante von Fig. 3.
Die Fig. 11 und 12 schließlich zeigen eine Variante der Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und 2.
Wie aus den Fig. 1 bis 3 hervorgeht, betrifft die Erfindung eine Dichtvorrichtung zwischen dem Zylinderkopf 1 und dem Zylinder 2 einer Gaskompressionsmaschine mit einer Brennkammer 3 von begrenztem variablem Volumen, welches im Inneren eines in einem Maschinenkörper 4 angeordneten Zylinders 2 durch einen Zylinderkopf 1, der auf diesem Maschinenkörper 4 mit Hilfe von in diesem eingebauten Spannschrauben 5 gehalten wird, und durch einen hin- und herbewegten im Zylinder 2 geführten Kolben begrenzt wird. Der Kolben ist mit - weiter unten beschriebenen - Dichtringen versehen und jede Schraube 5 ist mit einer Mutter 6 verschraubt. Es wurde für unnötig erachtet, die Kolbenrnaschine selbst sowie den Kolben mit seinen Dichtringen darzustellen, da es sich um Elemente handelt, die nicht im unmittelbaren Zusammenhang mit der Erfindung stehen und fachkundigen Personen im übrigen wohlbekannt sind.
Der Zylinder 2 besteht aus einer herausnehmbaren Laufbuchse 7, die in eine im Maschinenkörper 4 befindliche Ausbohrung 8 eingepaßt ist.
Erfindungsgemäß bildet die Außenfläche 19 der Laufbuchse 7 einen Bestandteil einer zylindrischen Fläche, die durch eine kreisförmige Leitkurve und zur Achse des Zylinders 2 parallelen Mantellinie gebildet wird, über wenigstens den größten oberen Teil ihrer Länge, insbesondere dreiviertel dieser Länge und vorzugsweise über die gesamte Länge, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt. Die Laufbuchse 7 ist dünn (anders ausgedrückt, ist seine Dicke e gering), und zwar insofern, daß sie (gemäß den nachstehenden Erläuterungen) durch die beim Festziehen der Spannschrauben 5 auftretende Kompressionskraft verformt werden kann, und daß sie allgemein nicht in der Lage ist, für sich allein den aufgrund des in der Brennkammer 3 auftretenden Gasdrucks entstehenden Maximalkräften standzuhalten. Die Laufbuchse 7 wird zumindest auf dem größten Teil ihrer Länge axial komprimiert, und zwar unmittelbar zwischen der Unterseite 9 des Zylinderkopfes 1 und einer darunterliegenden kreisförmigen Auflagefläche 10, die sich im Maschinenkörper 4 befindet. Der obere und der untere Abschnitt der Laufbuchse 7, die Auflagefläche 10 und der Teil der Unterseite 9 des Zylinderkopfes 1, an der der obere Abschnitt der Laufbuchse 7 anliegt, sind so eben wie möglich, damit die Dichtigkeit ihrer jeweiligen Berührungsflächen gewährleistet ist.
Wie in den Fig. 1 und 5 dargestellt, ist die Höhe L der Lufbuchse 7 vor dem Festziehen des Zylinderkopfes 1 (diesen Zustand zeigen die Fig. 1 und 5) so bemessen, daß dann, wenn der Zylinderkopf 1 vor dem Festziehen an der Oberseite der Lufbuchse 7 anliegt, wobei dieser auf der unteren Auflagefläche 10 des Maschinenkörpers 4 liegt, ein als "Über-Höhe" bezeichneter Abstand h zwischen den Auflageflächen des Zylinderkopfes und dem Maschinenkörper vorhanden ist. Diese Überhöhe ist klein genug, damit der Zylinderkopf 1 beim Festziehen unmittelbar auf dem Maschinenkörper 4 aufliegt (diesen Zustand zeigt Fig. 2), ohne daß irgendeiner der Werkstoffe, aus denen der Zylinderkopf 1, die Laufbuchse 7 und der Maschinenkörper 4 bestehen, die elastischen Verformungsgrenzen erreicht, wobei die obere Auflagekraft unter Berücksichtigung der Dicke e der Laufbuchse 7 größer ist als die maximale vom Gasdruck auf den Zylinderkopf 1 ausgeübte Kraft, aber andererseits so groß, daß der Kontakt zwischen der Laufbuchse 7 und dem Zylinderkopf 1 auf dem gesamten Umfang der oberen Auflagefläche der Laufbuchse 7 jederzeit während des Betriebs der Maschine aufrechterhalten bleibt und somit die Dichtigkeit gewährleistet ist.
Nach der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen wurde vorausgesetzt, daß die Unterseite des Zylinderkopfes 1 vollkommen eben ist, so daß die Über-Höhe h gleich der Differenz ist, die vor dem Festziehen zwischen der Höhe L der Laufbuchse 7 und dem Abstand L' besteht, und um die die Auflagefläche 11 des Zylinderkopfes 1 auf dem Maschinenkörper 4 von der unteren Auflagefläche 10 der Lauffläche 7 entfernt ist, wobei es jedoch praktisch so ist, daß, wie in den Fig. 11 und 12 gezeigt, diese untere Auflagefläche des Zylinderkopfes 1 nicht vollkommen eben sein kann und beispielsweise eine Zentrierung 18 (Fig. 11 und 12) aufweist, die zur Aufnahme der oberen Enden der Lufbuchsen 7 dienen, so daß in einem solchen Fall die Über-Höhe h nicht mit der genannten Differenz identisch sein wird.
Schließlich ist der Außendurchmeser D+2e der Laufbuchse 7 vor dem Festziehen des Zylinderkopfes 1 (wobei D sein Innendurchmesser ist) in bezug auf den Durchmesser D* der Ausbohrung 8 so groß, daß die Laufbuchse nach dem Montieren der Baugruppe und dem Festziehen der Schrauben 5 bis zum Entstehen eines unmittelbaren Kontaktes zwischen dem Zylinderkopf 1 und dem Maschinenkörper 4 (Fig. 2) mit geringem Druck radial an der Oberfläche der Ausbohmng 8 anliegt, wobei - unter Berücksichtigung der Reibungskoeffizienten - mikroskopisch kleine Axialbewegungen der Laufbuchse 7 in der Ausbohrung 8 möglich sind, die durch die Verformungen des Zylinderkopfes 1 oder aufgrund von Phänomenen der differentiellen Materialausdehnung hervorgerufen werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Kolbenmaschine um eine solche mit Flüssigkeits-Kühlkreislauf. Zu diesem Zweck sind vorteilhafterweise Auskehlungen an der Grenzfläche zwischen der Außenoberfläche der Laufbuchse 7 und der Fläche der Ausbohrung 8 vorgesehen, durch die die Kühlflüssigkeit zirkulieren kann. Ebenfalls bestehen vorteilhafterweise die genannten Auskehlungen aus axial verlaufenden Rillen 12, die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind und günstigerweise eine gewölbte Form aufweisen.
Gemäß der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten bevorzugten Ausführungsförm sind die Rillen 12 im Maschinenkörper 4 angeordnet, während die Außenoberfläche der Laufbuchse 7 glatt ist. Diese Rillen 12 stehen im unteren Teil der Laufbuchse 7 mit einer im Maschinenkörper 4 befindlichen Sammelrille 13 für die Kühlflüssigkeit und im oberen Teil der Laufbuchse 7 mit einer im Zylinderkopf 1 befindlichen Sammelrille 14 in Verbindung. Vorzugsweise gewährleistet ein (in den Fig. 1 und 2 nicht eingezeichneter) Dichtungsring 15 die Dichtigkeit gegenüber der Kühlflüssigkeit.
Die weiter oben genannten Regeln gestatten dem Fachmann die Bestimmung der Abmessungen für die Laufbuchse 7, was nachstehend beispielhaft dargelegt werden soll.

1 - Definition der verwendeten Größen

Höhe der Laufbuchse 7 vor dem Festziehen, gekennzeichnet durch den Abstand zwischen der oberen Auflagefläche auf dem Zylinderkopf und der unteren Auflagefläche auf dem Maschinenkörper: L
Über-Höhe: h
Dicke der Laufbuchse 7 vor dem Festziehen: e
Innendurchmesser des Laufbuchse 7 vor dem Festziehen: D
Maximaldruck des Gases in der Brennkammer 3: Pf)max
Anzugskraft der Zylinderkopfschrauben: FG

2 - Dimensionierung der Über-Höhe h

2.1 Durch das Festziehen der Zylinderkopfschrauben wird bewerkstelligt, daß der Zylinderkopf. unmittelbar auf dem Maschinenkörper aufliegt. Dabei wird die Laufbuchse um den Wert h komprimiert, was eine Kompressionsbelastung c zur Folge hat, die kleiner sein muß als ein Grenzwert e, der für jeden einzelnen der (für Zylinderkopf Laufbuchse und Maschinenkörper) verwendeten Werkstoffe beim Festziehen unterschritten werden muß, damit eine inelastische und somit bleibende Verformung vermieden wird:
c = E (h/L) < e mit h < L c/E
E: Young-Modul für den Laufbuchsenwerkstoff
Mit E = 21.000 hbar (Stahl) und einer Grenzbelastung von 30 hbar erhält man:
h/L < 0,00143
2.2 Außerdem muß das unmittelbare Aufliegen des Zylinderkopfes auf dem Maschinenkörper unter allen Betriebsbedingungen der Maschine aufrechterhalten werden.²
Daher genügt es, wenn die Auflagekraft (Fa)0 des auf dem Maschinenkörper festgeschraubten Zylinderkopfes bei stehender Maschine mindestens gleich dem Maximalwert der vom Gasdruck auf den Zylinderkopf ausgeübten Kraft ist, was für den Fall einer Einzyl indermaschine mathematisch folgenderrnaßen formuliert werden kann:
(Fa)O > (Pf)max .π.D²/4
Bei stehender Maschine ergibt sich für die Auflagekraft:
(Fa)O = FG - c.π.e (D+e)
bzw.
(Fa)O = FG - (h/L) E.π.e(D+e)
Die obige Bedingung läßt sich somit wie folgt formulieren:

Berechnungsbeispiel:

FG = 100.000 daN
(Pf)max = 300 bar
E = 21.000 bar
e = 5 mm
D = 135 mm
h/L < 0,00124, ein mit dem vergleichbarer Grenzwert.
2.3 Dagegen muß die Über-Höhe h genügend groß sein, damit sie folgende Einflüsse kompensieren kann:
- die zyklisch auftretenden Verformungen des Zylinderkopfes während des Betriebs der Maschine (allgemein in der Größenordnung von einigen hundertstel Millimetern),
- die Unterschiede der Höhe L einer Laufbuchse zur anderen; im Falle einer Baugruppe aus mehreren Zylindern und einem einzigen Zylinderblock, damit das Aufliegen der oberen Auflagefläche der Laufbuchse auf dem Zylinder ständig aufrechterhalten wird und an der Baugruppe keine Dichtigkeitsverluste auftreten. Man wird bestrebt sein, die Laufbuchse über den größten Teil ihrer Länge zu komprimieren, um so ein Maximum an "Elastizitätsreserve" (englisch: "spring back") zu erzielen:
wenn beispielsweise das Verhältnis h/L kleiner ist als 0,001 (d.h. die Bedingung zur Einhaltung der beiden vorgenannten Grenzwerte erfüllt ist) und L = 250 mm ist, erhält man für h den Wert 0,25 mm, der groß genug ist, um eventuelle Verformungen sowie konstruktionsbedingte Abweichungen von einer Laufbuchse zur anderen mit angemessenen Toleranzen (und somit kostengünstig) zu kompensieren.
Wenn man im Gegensatz dazu die Laufbuchse nur im Bereich des Flansches komprimiert, wie es in der Praxis gewöhnlich gemacht wird (Fig. 8), reicht die Elastizitätsreserve nicht aus, was eine andere, erheblich kompliziertere Montageform für die Baugruppe aus Zylinderblock, Laufbuchse und Maschinenkörper bedingt.

3 - Bestimmung der Dicke der Laufbuchse 7

Die Dicke e der Laufbuchse 7 muß ebenfalls so gering wie möglich sein, damit der Abstand zwischen der dem heißen Gas sowie den Verbrennungsgasen einer Verbrennungsmaschine ausgesetzten Innenseite diese Laufbuchse 7 und der Kühlflüssigkeit möglichst klein gehalten wird. Andererseits müß diese Dicke e aber auch groß genug sein, damit sich die Laufbuchse nicht unter dem Einfluß des Gasdrucks verformen kann, insbesondere bei Vorhandensein der entweder im Maschinenkörper 1 oder (wie im folgenden anhand von Fig. 10 beschrieben) in genannter Laufbuchse selber oder in beiden Komponenten in Höhe der Ausbohrung 8 angeordneten Rillen 12, durch die die Kühlflüssigkeit bei unmittelbarem Kontakt mit der Grenzfläche Laufbuchse Maschinenkörper strömt. Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Dicke e und der Breite X der Rillen 12, so z.B. die maximale Verformung der Laufbuchse 7 (Fig. 4) unter dem Einfluß des Gasdrucks, auch wenn er kleiner als ein Mikrometer und somit kleiner als die Dicke des Ölfilms zwischen dem oder den Kolbendichtringen und der genannten Laufbuchse 7 ist. Auf diese Weise wird eine dauerhafte Dichtigkeit im Bereich des Kolbens erzielt.
Um diese Bedingung zu erfüllen, wird das Verhältnis zwischen der Dicke e der Laufbuchse und der Breite X der Rillen bei Stahl vorzugsweise in der Größenordnung von 1 und bei anderen Werkstoffen, deren Härte geringer als diejenige von Stahl ist, über 1 liegen.
Wenn beispielsweise eine Laufbuchse eine Dicke von 5 mm und einen Außendurchmesser von 145 mm aufweist, könnte man 44 Rillen von je 5 mm Breite und 10 mm Tiefe vorsehen. Bei einer gußeisemen Laufbuchse würde man bei gleichem Abstand zwischen den Rillen eine Dicke von 7 mm wählen. Wenn der maximale Gasdruck 300 bar beträgt, liegt die transversale Verformung des Mantels in der Größenordnung von 0,5 Mikrometern, ist also weitaus geringer als die Ölfilmdicke. Somit ist eine dauerhafte Dichtigkeit im Kolbenbereich gewährleistet.

4 - Fixierung des Mantels 7

Wie oben ausgeführt, wird die Laufbuchse 7, nachdem sie an ihrem Einbauort in der Ausbohrung im Maschinenkörper positioniert wurde (Fig. 1), so weit komprimiert, bis ein unmittelbarer Kontakt zwischen der Auflagefläche des Zylinderblocks 1 und der Auflagefläche des Maschinenkörpers 4 hergestellt ist (Fig. 2).
Die Kompression der Laufbuchse hat eine Vergrößerung ihres Durchmessers zur Folge, die sich so lange fortsetzt, bis der Mantel mit der Innenfläche der im Maschinenkörper befindlichen Ausbohrung in Kontakt gerät, wodurch die Fixierung der Laufbuchse im Maschinenkörper bewerkstelligt wird.
Diese Fixierung darf jedoch nicht zu fest erfolgen, damit unter Berücksichtigung des Reibungskoeffizienten für die Grenzfläche Laufbuchse/Maschinenkörper noch mikroskopisch kleine Axialbewegungen der Laufbuchse möglich sind, durch die trotz der zyklischen Verformungen des Zylinderkopfes, die durch den Gasdruck sowie differentielle Materialspannungen (die Verformungen sind schematisch in Fig. 6 dargestellt und als m bezeichnet) hervorgerufen werden, einen dauerhaften Kontakt der oberen Berührungsfläche der Laufbuchse mit dem Zylinderkopf gewährleistet ist.
Wenn die Fixierung der Teilbaugruppe narnlich zu fest erfolgt und bis zur Blockierung der axialen Laufbuchsenbewegung fortgesetzt wird, besteht die Gefahr, daß sich die axiale Verbindung zwischen Laufbuchse und Zylinderkopf löst, wodurch Undichtigkeiten im Bereich zwischen Zylinderkopf und Mantel hervorgerufen werden können.
In der Praxis wird man ein im kalten Zustand gemessenes diametrales Spiel in der Größenordnung von 0,0002 mm vorsehen, das nach dem Festziehen des Zylinderkopfes eine Fixierung bewirkt, die gerade so schwach ist, daß die Laufbuchse den durch die zyklische Verformung des Zylinderkopfes hervorgerufenen mikroskopisch kleinen Bewegungen folgen kann.
Die erfindungsgemäße Dichtvorrichtung bietet zahlreiche Vorteile, von denen die wichtigsten im folgenden dargelegt werden sollen.
Erfindungsgemäß bilden die Laufbuchse 7 und die Zylinderkopfdichtung eine einzige Komponente, was insbesondere aus Fig. 7 hervorgeht, während die bekannten Konstruktionen (siehe z.B. US-A-2.721.542 und GB-A-2-088.949) eine in Fig. 8 gezeigte separate Zylinderkopfdichtung 16 aufweisen.
Wegen seiner großen Höhe wird das erfindungsgemäße elastische Dichtungselement (die Laufbuchse 7) nur ein einziges Mal, nämlich während der Montage, komprimiert und unterliegt im Betrieb keiner Materialermüdung.
Der Zylinderkopf 1 und der Maschinenkörper 1, bei denen es sich um massive und starre Komponenten handelt, stehen ständig unter Spannung; zudem bleibt die Länge im Bereich der Laufbuchse 7 konstant und unterliegt keinen Ermüdungszyklen.
Die Erfindung unterscheidet sich in folgendem von den zur Zeit bekannten Zylinderkopfdichtungen:
Die herkömmliche Zylinderkopfdichtung 16 (Fig. 8) weist eine geringe Dicke auf (einige Millimeter). Somit bietet sie auch kein elastisches Kompressionsvermögen ("spring back"). Betrachtet man die Elastizität des Werkstoffs, aus dem die Zylinderkopfdichtung hergestellt ist, so liegt das Kompressionsvermögen einer klassischen Zylinderkopfdichtung 16 in der Größenordnung von einigen Mikrometern, wohingegen die Verformungen des Zylinderkopfes unter dem Einfluß des Gasdrucks 10 Mikrometer übersteigen können. Wegen dieses Fehlens von Elastizitätsreserve des Dichtungselements (der Zylinderkopfdichtung 16) ist es nicht möglich, den Zylinderkopf 1 so auf dem Maschinenkörper 4 zu montieren, daß er die Zugkraft der Schrauben 5 aufnimmt. Wenn nämlich die Verformung des Zylinderkopfes (> 10 u) größer ist als die Elastizitätsreserve der Dichtung (ca. 1 bis 2 u), kommt es zum Kontaktverlust und somit zur Undichtigkeit.
Daher wird die herkömmliche Zylinderkopfdichtung 16 in Sandwichform zwischen dem Zylinderkopf 1 und dem Maschinenkörper 4 montiert, wo sie die Kontaktdruckschwankungen aufnimmt, die durch Schwankungen des Gasdrucks in der Brennkammer 3 hervorgerufen werden. Somit unterliegt sie also Ermüdungserscheinungen, was auf die Dauer zu Alterungserscheinungen und Undichtigkeitsproblemen führt.
Im Gegensatz dazu ist die erfindungsgemäße Laufbuchse 7, die elastisch komprimiert wird, mit einer großen Elastizitätsreserve in ihrer Höhe in der Lage, nichtkreisförmige Verformungen des Zylinderkopfes 1 zu kompensieren. Tatsächlich erlaubt jede Mantellinie der dünnen, elastischen Laufbuchse 7, die sich wie eine komprimierte Feder verhält, Kompressions- und Entspannungsbewegungen unabhängig von den benachbarten Mantellinien. Somit kann diese Laufbuchse "nichtkreisförmige" Verformungen, - d.h. solche Verformungen, die im selben Abstand von der Mantelachse unterschiedliche Amplituden aufweisen - kompensieren.
Diese Situation trifft man üblicherweise bei einem Zylinderkopf an, der mit einer begrenzten Anzahl von Zylinderkopfschrauben (in Fig. 9 beispielsweise mit vier Schrauben) befestigt ist, wobei die korrekte Auflagekraft nur in der Nähe der mit der Schraube 5 verschraubten Mutter 6 gewährleistet, zwischen den Schrauben 5 dagegen geringer ist. Daraus resultieren die dem Fachmann wohlbekannten Dichtigkeitsmängel. In Fig. 9 wurden schematisch - in Form der mit A bezeichneten Kreisbögen - die Zonen gekennzeichnet, in denen ein gutes Festziehen vorliegt; zwischen diesen liegen die Zonen, in denen möglicherweise Undichtigkeiten auftreten können.
Dies ist zweifellos der wichtigste Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung. Wenn jedoch der Auflageflansch 17 (Fig. 8) an der Grenzfläche Laufbuchse/Zylinderkopf - aufgrund seiner Dicke - starr ist, kann er keine "nichtkreisförmigen" Verformungen der oben beschriebenen Art kompensieren. Dies ist bei den meisten der heute verwendeten Zylinderkopfdichtungen der Fall.
Die erfindungsgemäße Laufbuchse 7 ist dünn und liegt an dem sehr massiven und thermisch unempfindlichen Maschinenkörper 4 an; seine Außengeometrie bleibt unabhängig von seiner Temperatur zylindrisch, so daß folglich auch seine Innengeometrie, betrachtet man die geringe Laufbuchsendicke, praktisch nicht durch Temperaturschwankungen verändert wird. Daraus ergibt sich für die Laufbuchse 7 jedes Fehlen einer Kegelverformung aufgrund von Materialspannungen, wie es bei Laufbuchsen großer Dicke zu beobachten ist. Wegen dieser fehlenden Kegelverformung wird die Dichtigkeit zwischen Kolben und Laufbuchse verbessert.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben beschriebene und dargelegte Ausführungsform, sondern umfaßt auch alle für den Fachmann denkbaren Varianten. Insbesondere ist es möglich, die für die Zirkulation der Kühlflüssigkeit vorgesehenen Rillen 12 nicht in den Maschinenkörper 4 einzuarbeiten, sondern den Maschinenkörper in Kreiszylinderform auszuführen und die Wand der Laufbuchse 7 mit Rillen zu versehen, wie dies in Fig. 10 schematisch skizziert ist. Die bevorzugte gewölbte Form der Rillen 12 gestattet so die weitere Reduzierung des Abstands zwischen der den Verbrennungsgasen ausgesetzten Laufbuchse und der Kühlflüssigkeit.

Claims

1.) Dichtungsvorrichtung zwischen dem Zylinderkopf (1) und dem Zylinder (2) einer Gaskompressionsmaschine, mit wenigstens einer im Inneren eines in einem Maschinenkörper (4) angeordneten Zylinders vorgesehenen Arbeitskammer (3) von variablem Volumen, die begrenzt wird durch einen Zylinderkopf (1), der auf diesem Maschinenkörper (4) mit Hilfe von in diesem eingesetzten Spannstiftschrauben (5) gehalten wird und durch einen in hin- und hergehender Bewegung angetriebenen Kolben, der im Zylinder (2) geführt ist, der eine herausnehmbare Laufbuchse (7) aufweist, die in eine im Maschinenkörper vorgesehene Bohrung (8) eingepaßt ist, hierbei ist der Kolben mit Dichtungsringen versehen, die mit der Innenwand der Laufbuchse (7) in Berührung stehen, wobei die Höhe (L) der Laufbuchse (7) vor dem Festziehen des Zylinderkopfes so groß ist, daß der Zylinderkopf (1) vor dem Festziehen auf der oberen Fläche der Laufbuchse (7) aufliegt, während sie selbst auf der unteren Abstützfläche (10) des Maschinenkörpers (4) aufliegt, so daß ein als "Über-Höhe" (h) bezeichneter Abstand zwischen den Abstützflächen und dem Maschinenkörper (4) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Abschnitt der Außenfläche (19) der Laufbuchse (7) Bestandteil einer zylindrischen Fläche ist, die durch eine vorzugsweise kreisförmige Leitkurve und zur Achse des Zylinders (2) parallelen Mantellinien gebildet wird und entlang derer sich die Laufbuchse zumindest über den größten Teil ihrer Länge erstreckt, daß die Laufbuchse (7) dünn gestaltet ist im Sinne, daß sie durch die infolge der Befestigung mit den Spannstiftschrauben (5) ausgeübte Kraft verformt werden kann, daß die Laufbuchse (7) zumindest über den größten Teil ihrer Länge zusammengedrückt wird, und zwar direkt zwischen dem Zylinderkopf (1) und einer im Maschinenkörper (4) angeordneten, darunterliegenden kreisförmigen Abstützfläche (10), daß die Über-Höhe (h) so klein ist, daß der Zylinderkopf (1) nach der Befestigung unmittelbar auf den Maschinenkörper (4) aufliegt, ohne daß irgendein Teil des Materials, aus dem der Zylinderkopf (1), die Laufbuchse (7) und der Maschinenkörper (4) besteht, seine elastischen Verformungsgrenzen erreicht, wobei die Auflagekraft unter Berücksichtigung der Dicke (e) der Laufbuchse (7) größer ist als die maximale, vom Gasdruck auf den Zylinderkopf (1) ausgeübten Kraft, aber genügend groß, daß der Kontakt zwischen Laufbuchse (7) und Zylinderkopf (1) während des Betriebs der Maschine jederzeit aufrechterhalten bleibt.

2.) Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Laufbuchse (7) vor dem Festziehen des Zylinderkopfes (1) in bezug auf den Durchmesser der Bohrung (8) im Maschinenkörper (4) so groß ist, daß, wenn die Baugruppe einmal mit Hilfe der Spannstiftschrauben (5) montiert und so weit festgezogen ist, bis der Zylinderkopf (1) direkt auf der Oberseite des Maschinenkörpers (4) aufliegt, die Laufbuchse (7) radial gegen die Bohrung (8) drückt und zwar mit einem Druck, der so schwach ist, daß unter Berücksichtigung der Reibungskoeffizienten mikroskopisch kleine Axialbewegungen der Laufbuchse (7) in der Bohrung (8) möglich sind, welche durch Verfarmungen des Zylinderkopfes (1) oder aufgrund von Phänomenen der differentiellen Materialausdehnung hervorgerufen werden.

3.) Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine durch eine zirkulierende Flüssigkeit gekühlt ist.

4.) Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbuchse (7) an ihrer Außenfläche aufgrund von Hohl-räume an der Grenzfläche zwischen der Außenfläche der Laufbuchse (7) und der Oberfläche der Bohrung (8) im Maschinenkörper (4) von der Kühlflüssigkeit benetzt wird.

5.) Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obengenannten Hohlräume aus axialen Rillen (12) bestehen, die im Maschinenkörper (4) gleichmäßig über einen Kreisumfang verteilt sind, wobei die Außenfläche der Laufbuchse (7) glatt ist.

6.) Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obengenannten Hohlräume aus axialen Rillen (12) bestehen, die in der Wandstärke der Laufbuchse (7) gleichmäßig über einen Kreisumfang verteilt sind, wobei die Außenfläche der Bohrung (8) glatt ist.

7.) Dichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der maximalen Breite (X) der Rillen (12) und der Dicke (e) der Laufbuchse (7) für den Fall einer Laufbuchse (7) aus Stahl in der Nähe von eins liegt, für einer Laufbuchse (7) aus einem weniger harten Werkstoff als Stahl dagegen über eins.

8.) Dichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (12) eine gewölbte Form aufweisen.

9.) Dichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Maschine um einen Verbrennungsmotor handelt.

10.) Dichtungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbuchse (7) so dünn ist, daß sich nicht allein die maximalen durch das in der Arbeitskammer (3) vorhandene Gas verursachten Kräfte aufnimmt.