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Die
Erfindung betrifft eine zwischen Dichtflächen von Motorbauteilen in
Form eines Zylinderkopfs und eines Motorblocks einspannbare, im
wesentlichen metallische Zylinderkopfdichtung mit einer Dichtungsplatte
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder 2.
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Im
wesentlichen metallische Zylinderkopfdichtungen, deren Dichtungsplatte
eine oder mehrere aufeinandergeschichtete Stahlblechlagen aufweist,
führen
ohne besondere Maßnahmen
zu einem verhältnismäßig niederen
Reibungsfaktor zwischen den beiden Hauptoberflächen der Zylinderkopfdichtung
und den Dichtflächen
von Zylinderkopf und Motorblock. Nun treten im Motorbetrieb in der
Ebene der Motorbauteil-Dichtflächen
bzw. der Dichtungsplatte der Zylinderkopfdichtung Relativbewegungen
zwischen der Zylinderkopfdichtung und dem Zylinderkopf bzw. dem
Motorblock auf, und zwar einerseits aufgrund unterschiedlicher thermischer
Ausdehnungen der gegeneinander abzudichtenden Bauteile, vor allem
aber aufgrund von Mikroschwingungen des Zylinderkopfs und des Motorblocks,
hervorgerufen durch die großen
zeitlichen Druckänderungen
in den Brennräumen
des Motors. Anders als man zunächst anzunehmen
geneigt ist, führt
ein niederer Reibungskoeffizient zwischen Zylinderkopfdichtung und
Motorbauteilen jedoch nicht zu einem besonders geringen Reibverschleiß an den
Dichtflächen
von Zylinderkopf und Motorblock, vielmehr ist gerade das Gegenteil der
Fall.
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Deshalb
wurde bereits vorgeschlagen (DE-197 25 987-C2), vor allem den durch
die vorstehend erörterten
Mikroschwingungen hervorgerufenen Reibverschleiß dadurch zu minimieren, daß bei einer
im wesentlichen metallischen, ein- oder mehrlagigen Zylinderkopfdichtung
eine (bei einer mehrlagigen Dichtung äußere) Metallblechlage vorgesehen wird,
die ein- oder beidseitig mit einer dünnen Mikroabdichtungsschicht
versehen ist, welche aus einem polymeren, einen Füllstoff
enthaltenden Kunststoffmaterial besteht, wobei als Füllstoff
harte Körner,
z. B. aus Metallsilikaten oder Metalloxiden, verwendet werden, um
die Oberflächenrauhigkeit
an mindestens einer der beiden Hauptoberflächen der Zylinderkopfdichtung
und damit den Reibungskoeffizienten zwischen der Zylinderkopfdichtung
und mindestens einem der Motorbauteile zu erhöhen. Es hat sich nämlich gezeigt,
daß sich
dadurch vor allem der durch die geschilderten Mikroschwingungen
verursachte Reibverschleiß an
der Dichtfläche
des Zylinderkopfs bzw. des Motorblocks deutlich verringern läßt.
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Nun
sind in gewissen Bereichen von Zylinderkopfdichtungen vorgesehene
Beschichtungen nicht immer ganz unproblematisch, da im Motorbetrieb
im Laufe der Zeit von der Dichtung abgelöste Teile einer Beschichtung
zu Beeinträchtigungen
der Motorfunktion führen
können,
was natürlich
vor allem für
den Fall gilt, daß die
Beschichtung stark abrasiv wirkende Füllstoffe enthält, so wie
dies auf den vorstehend geschilderten Stand der Technik nach der
DE 197 25 987 C2 zutrifft.
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Aus
der
US 52 94 135 A gibt
sich eine metallische Zylinderkopfdichtung mit mindestens einer
Metallblechlage, welche um die Brennraumöffnungen herum auf sich selbst
zurückgefaltet
ist und so einen Bördelfalz
mit einem flanschartigen Blechring bildet. Um Materialrisse und
Verwerfungen im Bereich des Bördelfalzes
zu verhindern, wurden in die Metallblechlage vor dem Umbördeln Ringnuten
(siehe die Ringnuten
6 und
8 in
4) eingeprägt, welche konzentrisch zur
jeweiligen Brennraumöffnung
verlaufen; die eine Ringnut liegt in der Wurzel des Bördelfalzes
und bildet dort einen Ringkanal, während die andere Ringnut unter
dem freien Randbereich des Blechrings liegt, so daß dieser
Randbereich bei eingespannter Dichtung einer verhältnismäßig geringen Pressung
unterworfen ist. Die Ringnuten führen
also zu einer örtlich
reduzierten Flächenpressung
zwischen den Motorbauteil-Dichtflächen und der Zylinderkopfdichtung
sowie zwischen den übereinander liegenden
Bereichen der Metallblechlage bzw. der Metallblechlagen (bei einer
mehrlagigen Dichtung), wobei die Zonen örtlich reduzierter Flächenpressung die
Brennraumöffnungen
kreisringförmig
umschließen;
die örtlich
variierende Flächenpressung
hat nun eine gewisse Anpassung der Motorbauteil-Dichtflächen an
die Zylinderkopfdichtung (und umgekehrt) zur Folge, so daß die Ringnuten
zu einer gewissen Reduzierung der eingangs geschilderten Relativbewegungen
führen,
soweit letztere in bezüglich
der Brennraumöffnungen
radialer Richtung verlaufen.
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Für eine Zylinderkopfdichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2, wie sie sich aus der
US 52 94 135 A ergibt,
lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen vorzuschlagen, die
geeignet sind, um eine Brennraumöffnung
herum relative Schiebebewegungen zwischen den Motorbauteil-Dichtflächen und
der Zylinderkopfdichtung zu minimieren, und zwar nicht nur in bezüglich der
Brennraumöffnung
radialer Richtung, sondern auch in Umfangsrichtung der Brennraumöffnung,
ohne daß es
hierzu einer abrassiv wirkende Füllstoffe
enthaltenden Beschichtung der Metallblechlage bedarf.
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Diese
Aufgabe wird sowohl durch eine Zylinderkopfdichtung gemäß Anspruch
1, als auch durch eine Zylinderkopfdichtung gemäß Anspruch 2 gelöst, weil
sich nämlich
sowohl durch einen Kranz von Ausnehmungen, welche in Umfangsrichtung
der Brennraumöffnung
im Abstand voneinander angeordnet sind (Anspruch 1), als auch durch
einen Kranz von radial nach außen
randoffenen Ausnehmungen (Anspruch 2) beim Einspannen der Zylinderkopfdichtung ein
Mikroformschluß zwischen
der Dichtung und den Motorbauteil-Dichtflächen erreichen läßt, der
auch in Umfangsrichtung der Brennraumöffnung orientierte relative
Schiebebewegungen minimiert.
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Der
Vollständigkeit
halber sei noch auf folgenden Stand der Technik verwiesen:
Die
US 21 56 662 offenbart eine
im wesentlichen einlagige metallische Zylinderkopfdichtung, bei
der um jede Brennraumöffnung
herum ein geschlossener Ringkanal verläuft, gebildet durch eine Ringnut
in der Blechlage, welche Ringnut durch einen in die Blechlage eingelassenen
und mit dieser gasdicht verschweißten dünnen Blechring gasdicht verschlossen wird.
Sodann wird dieser Ringkanal mit einem unter hohem Druck stehenden
Gas gefüllt,
so daß die
gebrauchsfertige Zylinderkopfdichtung um jede Brennraumöffnung herum
mit einer Ringwulst versehen ist, um die Flächenpressung zwischen der Dichtung
und den Motorbauteil-Dichtflächen
um die Brennraumöffnung
herum zu erhöhen.
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Bei
dieser bekannten Zylinderkopfdichtung wird mit den Ausnehmungen,
d. h. den Ringnuten, also gerade das Gegenteil dessen bezweckt und
erreicht, was mit den Ausnehmungen der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung
bezweckt wird (nämlich
eine örtliche
Reduzierung der Flächenpressung).
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Mit
sogenannten Weichstoffdichtungen befaßt sich die
GB 398 771 . Solche Weichstoffdichtungen
bestehen im wesentlichen aus einer Platte aus sogenanntem Weichstoff,
die durch eine oder mehrere dünne
Trägerblechlagen
verstärkt
ist. Derartige Weichstoffdichtungen wurden jahrzehntelang als Zylinderkopfdichtungen
verwendet, vor etlichen Jahren jedoch durch im wesentlichen metallische
Zylinderkopfdichtungen abgelöst.
Bei allen Weichstoffdichtungen bedarf es einer Verbindung zwischen
der Weichstoffplatte und dem Trägerblech,
wofür Verkleben
und/oder Verklammern durch aus dem Trägerblech ausgestanzte und herausgebogene,
krallenartige Blechzungen, welche in die Weichstoffplatte eingedrückt werden,
in Frage kommen. Mit der Verbindungsart des Verklammerns befaßt sich
die
GB 398 771 .
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Ein
relative Schiebebewegungen verhindernder oder zumindest reduzierender
Mikroformschluß zwischen
Motorbauteil-Dichtflächen
und der Zylinderkopfdichtung läßt sich
bei einer Weichstoffdichtung überhaupt
nicht erreichen, weil die hierfür erforderlichen
Mikroverformungen in den Motorbauteil-Dichtflächen beim Einspannen einer
Weichstoffdichtung zwischen diesen Dichtflächen wegen der relativ großen Nachgiebigkeit
der Weichstoffplatte nicht herbeigeführt werden können.
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Die
Ausnehmungen einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung
können
jede Gestaltung haben, die dazu geeignet ist, die spezifische Flächenpressung
zwischen Dichtungsplatte und Motorbauteil-Dichtflächen örtlich hinreichend
zu reduzieren, bevorzugt werden jedoch Ausführungsformen, bei denen die
Ausnehmungen die Form von Ausschnitten aus bzw. in der Metallblechlage
oder von Vertiefungen, z. B. Einprägungen, in einer oder beiden
Hauptoberflächen
der Metallblechlage aufweisen. Ferner empfiehlt es sich, derartige
Ausnehmungen überall
dort vorzusehen, wo aufgrund der Motorkonstruktion sonst ein störender Reibverschleiß auftreten
würde.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung
führen
die Ausnehmungen zu folgendem Effekt: Infolge der aufgrund der Ausnehmungen
bezüglich
der Brennraumöffnung
sowohl in radialer, als auch in Umfangsrichtung örtlich variierenden spezifischen
Flächenpressung
zwischen Dichtungsplatte und Motorbauteil-Dichtflächen ergibt sich
eine gewisse Anpassung der Motorbauteil-Dichtflächen an die Zylinderkopfdichtung
(und umgekehrt) und somit in beiden vorgenannten Richtungen eine
Art von im Mikrobereich liegendem Formschluß zwischen Zylinderkopfdichtung,
Zylinderkopf und Motorblock, und aufgrund der dadurch erhöhten Reibung
zwischen der Dichtung und den Motorbauteilen können in beiden vorgenannten
Richtungen größere (in
der Ebene des sogenannten Dichtspalts verlaufende) Querkräfte zwischen
der Dichtung und den Motorbauteilen übertragen werden, so daß relative
Querbewegungen zwischen den Motorbauteilen und der Dichtung sowie
der dadurch hervorgerufene Verschleiß unterdrückt oder zumindest reduziert
werden. Dies gilt auch für
einen Verschleiß an
der Dichtung, den die erwähnten
Querbewegungen z. B. dann zur Folge haben können, wenn ein Motorbauteil
aus einer harte Körner
enthaltenden Leichtmetallegierung besteht. Die erfindungsgemäße Maßnahme führt aber
auch zu einer bereichsweise höheren
spezifischen Flächenpressung
zwischen den Motorbauteil-Dichtflächen und der Zylinderkopfdichtung
und damit zu einer verbesserten Abdichtung der Motorbauteile gegeneinander.
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Die
Dichtungsplatte einer Zylinderkopfdichtung hat Durchgangsöffnungen
für den
Durchtritt der Zylinderkopfschrauben, gegebenenfalls auch Durchgangsöffnungen
für den
Durchtritt von Fluiden, wie Schmieröl und Kühlwasser; im letztgenannten
Fall grenzen die Fluid-Durchgangsöffnungen an Öffnungen
in den Dichtflächen
von Zylinderkopf und Motorblock an. In einem solchen Fall liegen
die Bereiche erfindungsgemäßer Zylinderkopfdichtungen,
in denen die erfindungsgemäß vorzusehenden
Ausnehmungen angeordnet sind, außerhalb der mit den Fluid-Durchgangsöffnungen
versehenen Bereiche.
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Wie
sich gezeigt hat, müssen
sich erfindungsgemäß vorzusehende
Ausnehmungen nicht an einer Hauptoberfläche der Dichtungsplatte befinden, um
die gewünschte örtliche
Reduzierung der spezifischen Flächenpressung
zu bewirken; vielmehr können
die Ausnehmungen auch auf einer oder auf beiden Seiten der mit den
Ausnehmungen versehenen Metallblechlage durch ein Metallblech überdeckt sein,
z. B. durch eine weitere Metallblechlage einer mehrlagigen Dichtungsplatte
oder durch einen Bereich eines Bördelfalzes,
wenn die mit den Ausnehmungen versehene Metallblechlage um eine
Brennraumöffnung
herum auf sich selbst zurückgefaltet
ist und so einen Bördelfalz
mit einem flanschartigen, mit der Metallblechlage einstückigen Blechring
bildet – wie
angedeutet, können
dann die Ausnehmungen im Bereich des Bördelfalzes vorgesehen sein,
und diesbezüglich
wird auf die nachfolgende Beschreibung einiger zeichnerisch dargestellten
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung verwiesen.
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Es
hat sich ferner gezeigt, daß bei
einer mehrlagigen Zylinderkopfdichtung in der Ebene der Dichtungsplatte
auftretende Bewegungen (Querbewegungen) der Metallblechlagen relativ
zueinander zu einem schädlichen
Verschleiß an
einer oder mehreren Lagen führen
können,
und zwar in kritischen Bereichen der Zylinderkopfdichtung. Wie aus
den vorstehenden Erläuterungen
der Erfindung verständlich
wird, ist Gegenstand der Erfindung deshalb auch eine Zylinderkopfdichtung
mit einer mehrere Metallagen aufweisenden Dichtungsplatte, welche
wenigstens eine Brennraumöffnung
sowie weitere Durchgangsöffnungen
besitzt und bei der mindestens eine der Lagen zusätzlich zu
den vorgenannten Öffnungen
erfindungsgemäße, die
Flächenpressung
zwischen den Lagen örtlich
reduzierende Ausnehmungen aufweist. Wenn es nur darum geht, Relativbewegungen
zwischen den Dichtungslagen zu vermindern, müssen die Ausnehmungen nicht
in einem solchen Bereich der Dichtung liegen, welcher im eingebauten
Zustand zwischen durchgehenden, öffnungslosen
Bereichen der Motorbauteil-Dichtflächen angeordnet ist.
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Generell
empfiehlt sich die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme um die Brennraumöffnungen
herum, da dort die höchsten
Flächenpressungen
erforderlich sind und auch das Risiko eines erheblichen Reibverschleißes am höchsten ist.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung sowie der beigefügten zeichnerischen Darstellung
einiger bevorzugter Ausführungsformen einer
erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung
bzw. einer erfindungsgemäß gestalteten
Metallblechlage für
eine Zylinderkopfdichtung. In der Zeichnung zeigen:
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1 einen
Teil einer einlagigen Zylinderkopfdichtung im Querschnitt, wobei
dieser Teil an eine Brennraumöffnung
der Zylinderkopfdichtung angrenzt und der Zylinderkopf sowie der
Motorblock, zwischen denen die Zylinderkopfdichtung eingespannt
sein soll, angedeutet wurden;
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2 eine
Draufsicht auf die in 1 dargestellte Ausführungsform
der Zylinderkopfdichtung;
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3 und 4 zwei
weitere Ausführungsformen
einer erfindungsgemäß gestalteten
Metallblechlage in einer der 1 entsprechenden
Schnittdarstellung, jedoch ohne Zylinderkopf und Motorblock, und
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5 und 6 zwei
weitere Ausführungsformen
einer erfindungsgemäß gestalteten
Metallblechlage in perspektivischer Darstellung.
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Die 1 zeigt
einen Teil einer als Ganzes mit 10 bezeichneten Metallblechlage
mit einer Brennraumöffnung 12,
deren Achse mit 14 bezeichnet wurde. Um die Brennraumöffnung 12 herum
ist die Metallblechlage 10 auf sich selbst zurückgebogen
und bildet so einen die Brennraumöffnung kreisringförmig umschließenden Bördelfalz 16 mit
einer gleichfalls kreisringförmigen
Biegestelle 18 und einem einen Blechring 20 bildenden
Flansch. Zwischen der Biegestelle 18 und dem radial äußeren Rand 22 des Blechrings 20 wurde
in diesen ein die Brennraumöffnung 12 kreisringförmig umschließender Kranz
von Ausnehmungen 24 in Form von fensterartigen Ausstanzungen
gestanzt.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform soll die Metallblechlage 10 eine
einlagige Dichtungsplatte einer Zylinderkopfdichtung bilden, welche zwischen
einem Zylinderkopf 26 und einem Motorblock 28 eingespannt
ist; die Dichtflächen
dieser beiden Motorbauteile wurden mit 26a bzw. 28a bezeichnet.
Die 1 soll auch zeigen, daß sich die erfindungsgemäße Ausnehmung
in einem Bereich der Metallblechlage 10 befinden soll,
der bei eingebauter Dichtung zwischen durchgehenden, öffnungslosen Bereichen
der Dichtflächen 26a und 28a angeordnet ist.
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Im
Bereich des Bördelfalzes 16 ist
nun erfindungsgemäß die Flächenpressung
zwischen der Zylinderkopfdichtung und den Motorbauteil-Dichtflächen 26a, 28a außerhalb
der Ausnehmungen 24 deutlich größer als in den mit letzteren
versehenen Bereichen des Bördelfalzes 16,
und diese Unterschiede in der spezifischen Flächenpressung führen zu
einer gewissen Anpassung der Dichtflächen 26a, 28a an
die Gestaltung der Metallblechlage 10 und damit zu einem
Mikroformschluß zwischen
der Zylinderkopfdichtung und den Motorbauteilen; infolge dieses Mikroformschlusses
lassen sich nun deutlich höhere Querkräfte zwischen
der Zylinderkopfdichtung und dem Zylinderkopf 26 einerseits
sowie dem Motorblock 28 andererseits übertragen – diese Querkräfte verlaufen
parallel zur Ebene des sogenannten Dichtspalts, welcher von den
Dichtflächen 26a und 28a begrenzt
wird -, wodurch Querbewegungen des Zylinderkopfs bzw. des Motorblocks
relativ zur Zylinderkopfdichtung verhindert oder zumindest deutlich reduziert
werden; infolgedessen wird auch ein Reibverschleiß an den
Dichtflächen 26a und 28a verhindert
oder zumindest deutlich reduziert. Die 2, welche
eine Draufsicht auf die Ausführungsform
der Zylinderkopfdichtung gemäß 1 darstellen
soll, zeigt noch Durchgangsöffnungen 52 bis 62 der
Metallblechlage 10, bei denen es sich um Durchgangsöffnungen
für Zylinderkopfschrauben,
teilweise aber auch um Fluid-Durchgangsöffnungen handeln kann.
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Die
in Verbindung mit 1 beschriebenen Effekte treten
auch dann auf, wenn die Dichtungsplatte einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung
mehrlagig ist und z. B. die in 1 gezeigte
Metallblechlage 10 zwischen zwei äußeren Metallblechlagen der
Zylinderkopfdichtung angeordnet wäre, wobei diese äußeren Metallblechlagen
denjenigen Ringbereich der Metallblechlage 10 überdecken,
welcher durch die Ausnehmungen 24 definiert wird.
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Da
sich die in den 3 und 4 dargestellten
Ausführungsformen
von der Ausführungsform
gemäß 1 nur
in der Anordnung und gegebenenfalls Anzahl der erfindungsgemäß vorzusehenden
Aussparungen unterscheiden, werden im folgenden die Ausführungsformen
nach den 3 und 4 nur noch
insoweit beschrieben, als sie von der Ausführungsform gemäß 1 abweichen,
und es werden, soweit möglich,
dieselben Bezugszeichen wie in 1 verwendet.
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Auch
bei den Ausführungsformen
nach den 3 und 4 haben
die erfindungsgemäß vorzusehenden
Ausnehmungen 24a bzw. 24b bzw. 24c und 24d,
welche die Form von fensterartigen Ausstanzungen haben die um die
die Brennraumöffnung 12 herum
einen ringförmigen
Kranz von im Abstand voneinander angeordneten Ausnehmungen bilden (siehe 2).
Bei der Ausführungsform
nach 3 liegen die Ausnehmungen 24b in dem
unter dem Blechring 20 liegenden Ringbereich der Metallblechlage 10,
und bei der Ausführungsform
nach 4 sind sowohl im Blechring 20, als auch
in dem unter diesem liegenden Ringbereich der Metallblechlage 10 Ausnehmungen 24c bzw. 24d vorgesehen,
welche jedoch zweckmäßigerweise
so gegeneinander versetzt angeordnet sind, dass die Ausstanzungen nicht
miteinander fluchtend bzw. deckungsgleich übereinanderliegen.
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Bei
der in 5 dargestellten Ausführungsform haben die erfindungsgemäß vorzusehenden Ausnehmungen 24e die
Gestalt von randoffenen Ausstanzungen welche sich erfindungsgemäß vom radial äußeren Rand 22 des
Blechrings 20 in den letzteren hineinerstrecken. Insbesondere
hat der radial äußere Rand
des Blechrings 20 in diesem Fall eine Zahnrad-ähnliche
Kontur.
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Die
Ausführungsform
nach 6 unterscheidet sich von derjenigen nach 5 nur
dadurch, daß an
die Stelle eines von einem Bördelfalz gebildeten
Blechrings ein als separates Teil hergestellter Blechring 20' tritt, welcher
mittels einer Schweißnaht 50 mit
der Metallblechlage 10 verbunden wurde. In diesem Fall
könnten
die randoffenen Ausstanzungen sich auch vom radial inneren Rand des
Blechrings 20' in
diesen hineinerstrecken.
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Natürlich können an
die Stelle von Ausstanzungen auch Aussparungen treten, welche beispielsweise
mittels eines Lasers ausgeschnitten wurden.
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Ferner
können
die erfindungsgemäß vorzusehenden
Ausnehmungen Rückhalteräume für Öl oder eine
andere Flüssigkeit
bilden, insbesondere dann, wenn die Ausnehmungen in eine der beiden Hauptoberflächen der
Dichtungsplatte einer Zylinderkopfdichtung münden, so wie dies bei der Ausführungsform
gemäß 1 der
Fall ist.
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Ähnliche
Effekte wie mit den geschilderten erfindungsgemäßen Ausnehmungen lassen sich auch
mit folgender Maßnahme
erreichen: In einem Bereich einer oder beider Hauptoberflächen der
Metallblechlage wird diese mit einem Oberflächenprofil, wie z. B. mit einer
Rändelung,
versehen, um so eine örtlich
hinreichend variierende Flächenpressung
herbeizuführen.
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Man
könnte
daran denken, die eine Art Mikroformschluß zwischen Dichtung und einer
Motorbauteil-Dichtfläche
hervorrufende, erfindungsgemäß vorgeschlagene
Ausnehmung, z. B. eine einen Brennraum umschließende Nut, statt in der Dichtung in
der Motorbauteil-Dichtfläche
vorzusehen; dies wäre
aber allein schon aufgrund der kostenaufwendigeren Herstellung unzweckmäßig.