DE102004029351A1

DE102004029351A1 - Metallische Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor mit Laufbuchse

Info

Publication number: DE102004029351A1
Application number: DE102004029351A
Authority: DE
Inventors: Harald Rebien; Bernd Ruess; Thomas Görtler; Alfred Weiss; Andreas Göttler
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-06-18
Also published as: US20060001220A1; DE102004029351B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine metallische Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor mit Laufbuchse, die mindestens eine metallische Lage umfasst und mindestens eine Brennraum-Öffnung und weitere Öffnungen, z. B. für Fluide, aufweist. Durch die erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung kann eine Abdichtung einer nassen Zylinderlaufbuchse gegenüber dem Kühlwasser bzw. Brenngasen am oberen Laufbuchsenrand erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft eine metallische Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor mit Laufbuchse, die mindestens eine metallische Lage umfasst und mindestens eine Brennraum-Öffnung und weitere Öffnungen, z.B. für Fluide, aufweist. Durch die erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung kann eine zusätzliche Abdichtung einer nassen Zylinderlaufbuchse gegenüber dem Kühlwasser bzw. Brenngasen am oberen Laufbuchsenrand erfolgen.

Motoren mit eingepressten oder eingesetzten Laufbuchsen, sog. Buchsenmotoren, mit durch Kühlwasser gekühlten Zylinderlaufbuchsen benötigen eine Abdichtung der Stoßstelle zwischen Zylinderblock und Laufbuchsenbund. Dadurch wird verhindert, dass durch den Ringspalt zwischen Motorblock und Zylinderlaufbuchse hindurch Flüssigkeit in den Bereich der oberen Motor block- oder Laufbuchsen-Dichtfläche gelangt, auf welcher eine zwischen Motorblock bzw. Zylinderlaufbuchse und einem Zylinderkopf eingespannte Zylinderkopfdichtung aufliegt. Handelsübliche Zylinderlaufbuchsen haben einen Buchsenzylinder, in dem sich ein Kolben in Richtung der Laufbuchsenachse hin und her bewegt, sowie einen den Buchsenzylinder radial nach außen überragenden Buchsenbund, dessen genaue Lage vom Konstruktionsprinzip abhängt. Der Motorblock hat eine axiale erste Ausnehmung zum Einsetzen des Buchsenzylinders sowie zwischen der ersten Ausnehmung und der oberen Motorblock-Dichtfläche eine zweite in der Draufsicht kreisförmige Ausnehmung größeren Durchmessers zur Aufnahme und Abstützung des Buchsenbundes. Zur Kühlung der Laufbuchse tritt von unten Kühlwasser in den Ringspalt zwischen dem Buchsenzylinder und dem Motorblock ein.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Varianten zur Abdichtung des Ringspaltes bekannt, mit denen der Durchtritt von Kühlwasser am dem Zylinderkopf zugewandten Rand zwischen Zylinderlaufbuchse und Motorblock verhindert werden kann. Die erste Variante sieht vor, dass zwischen einer unteren ringförmigen Stirnfläche des Buchsenbundes und einer ringförmigen Bodenfläche der den Buchsenbund aufnehmenden zweiten Motorblock-Ausnehmung ein Abdichtelement in Form eines Metallrings eingelegt wird, welches beim Anziehen der Zylinderkopfschrauben zwischen dem Buchsenbund und dem Motorblock in axialer Richtung eingespannt wird. Dieser Metallring besteht üblicherweise aus einer Kupfer-Zink-Legierung. Dieser Metallring ist im Motorbetrieb extrem hohen dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt, da im Motorbetrieb Relativbewegungen in Form von Schiebebewegungen in bezüglich der Laufbuchsenachse radialer Richtung zwischen denjenigen Flä chen des Buchsenbundes und des Motorblocks, zwischen denen der Metallring eingespannt ist, auftreten. Derartige Schiebebewegungen sind darauf zurückzuführen, dass die Zylinderlaufbuchse durch die hohen Drücke, die im von der Laufbuchse umschlossenen Verbrennungsraum periodisch auftreten, auf geweitet wird. Ebenso kommt es zu unterschiedlichen Wärmeausdehnungen aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen von Laufbuchse und Motorblock sowie gegebenenfalls unterschiedlichen Werkstoffen dieser beiden Bauteile. Die auf diese Schiebebewegungen zurückzuführende Beanspruchung des Metallrings kann zu dessen Beschädigung und damit auch zur Beschädigung des Abdichtsystems führen.

Eine zweite Variante zur Abdichtung sieht vor, dass der Außenumfang des Buchsenzylinders mit einer Ringnut versehen ist, in die ein O-Ring aus elastomerem Material eingelegt wird, welcher dann zwischen der Umgebungswand der den Buchsenzylinder aufnehmenden Motorblock-Ausnehmung und dem Buchsenzylinder eingespannt ist. Dieses Abdichtsystem erfordert eine Ringnut zur Aufnahme des O-Rings. Diese Variante zur Abdichtung bringt den Nachteil mit sich, dass im oberen Bereich der Zylinderlaufbuchse keine Kühlung erfolgen kann und die Lebenserwartung des Elastomers aufgrund seiner thermischen Empfindlichkeit begrenzt ist.

Weiterhin sind aus der DE 102 05 179 A1 und der DE 102 05 180 A1 zwei weitere Varianten eines Abdichtelementes bekannt. Das eine sieht vor, dass das Abdichtelement ein in radialer Richtung federverformbares metallisches, ringförmiges Dichtelement aufweist, das den Buchsenbund umfasst und zwischen dessen Außenumfang und einer Umfangswand der Motorblock ausnehmung eingespannt ist. Eine andere Variante sieht vor, dass das Abdichtelement ein elastomeres, ringförmiges Dichtelement aufweist, welches den Buchsenbund umfasst und zwischen dessen Außenumfang und der Umfangswand der Motorblockausnehmung eingespannt ist. Das Abdichtelement ist dabei aus dem elastomeren Dichtring und einem Trägerring aus Metall oder einem verformungssteifen und temperaturbeständigen Kunststoff aufgebaut.

Allen hier beschriebenen Varianten des Standes der Technik ist gemein, dass es sich um Abdichtungen des Ringspalts in radialer Richtung handelt. Dies bringt den Nachteil mit sich, dass derartige Dichtelemente separat gefertigt werden müssen und unter teilweise aufwendiger Anpassung der abzudichtenden Bauteile einen zusätzlichen Verfahrensschritt in der Produktion darstellen.

Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abdichtung zwischen Motorblock und Zylinderlaufbuchse zu realisieren, bei der das Abdichtelement in bereits zu verwendenden Bauteilen integriert wird, sodass die Zahl der zu verwendenden Bauteile reduziert und dadurch der Herstellungsprozess vereinfacht und somit kostengünstiger wird.

Diese Aufgabe wird durch die metallische Zylinderkopfdichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. Die Verwendung der erfindungsgemäßen metallischen Zylinderkopfdichtung wird in Anspruch 11 beschrieben.

Erfindungsgemäß wird eine metallische Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor mit Laufbuchse bereitgestellt, die mindestens eine metallische Lage umfasst, in der mindestens eine Brennraum-Öffnung und weitere Öffnungen, z.B, für Fluide eingebracht sind. Dabei ist in der mindestens einen metallischen Lage im an die Brennraum-Durchgangsöffnung angrenzenden Bereich ein ringförmiges elastisches Element integriert, das die Brennraum-Durchgangsöffnung vollständig umläuft. Hierbei ist das elastische Element so ausgebildet und in der mindestens einen metallischen Lage integriert, dass es im eingebauten Zustand die Stoßstelle zwischen Zylinderblock und Laufbuchsenbund überbrückt.

Mittels der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung kann eine Abdichtung des Ringspaltes an der Stoßstelle zwischen Zylinderblock und Laufbuchsenbund erreicht werden, sodass eine Abdichtung einer nassen Zylinderlaufbuchse gegenüber Kühlwasser bzw. Brenngasen am oberen Laufbuchsenrand realisiert werden kann. Es handelt sich hierbei im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Abdichtungstechniken um eine axiale Abdichtung mittels der erfindungsgemäß modifizierten Zylinderkopfdichtung.

Vorzugsweise besteht das elastische Element aus einem zwei Schenkel aufweisenden Blech, das bevorzugt aus Federstahl gefertigt ist. Ein derartiges Blech, das vorzugsweise gesickt ist, mit entsprechenden Federungseigenschaften, wird bevorzugt zumindest teilweise über dessen Umfang durch Schweißen, Löten, Kleben oder mechanische Verspannung an der mindestens einen metallischen Lage der Zylinderkopfdichtung angebracht. Denkbar ist aber auch eine Ausführungsform, bei der das elastische Element nur eingelegt wird. Ein Schenkel des als Wippe fungierenden Bleches kommt dabei auf dem Zylinderblock zum Anliegen, während der andere freie Schenkel des Blechs auf dem Laufbuchsenbund anliegt. Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Wippenkonstruktion ist, dass nicht nur die Sicke elastisch wirkt, sondern auch der Höhenausgleich von einem Schenkel zum anderen eine ausgleichende Funktion bei axialer Laufbuchsenbewegung bewirkt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das elastische Element ein- und/oder beidseitig eine funktionelle Oberflächenbeschichtung auf. Eine entsprechende Beschichtung kann dabei die Mikroabdichtung übernehmen. Vergleichbare Lösungen mit Weichstoffauflagen oder auch Elastomeren sind ebenso möglich. Ebenso können vorzugsweise Gleitbeschichtungen eingesetzt werden. Kombinationen der oben genannten Auflagen und Beschichtungen sind ebenfalls möglich.

Vorzugsweise greifen die freien Schenkel im eingebauten Zustand jeweils in eine Ring-Nut im Zylinderblock und/oder im Laufbuchsenbund. Hierdurch wird ermöglicht, dass ein zusätzlicher Schutz für auftretende Relativbewegungen erreicht wird.

Das elastische Element kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform aus einem zwei freie Schenkel aufweisenden Blech aus Federstahl bestehen, wobei auf der der mindestens einen durchgegehenden metallischen Dichtungslage abgewandten Seite im Bereich der jeweiligen Schenkelenden Gummipuffer angeordnet sind, die im eingebauten Zustand auf Zylinderblock einerseits und Laufbuchsenbund andererseits aufliegen. Da Zylinderblock und Laufbuchsenbund in der Regel nicht genügend abschließen, können die Gummipuffer vorzugsweise eine unterschiedliche Höhe besitzen. Unter Gummipuffern im Sinne der Erfindung sind nicht nur Puffer aus Gummi zu verstehen, sondern generell Puffer aus E lastomeren oder Polymeren, mit oder ohne Faserverstärkung.

Als weitere Variante wird bevorzugt, dass das elastische Element aus zwei Gummipuffern besteht, die direkt auf der Unterseite der mindestens einen durchgehenden Dichtungslage angebracht sind und im eingebauten Zustand zum einen auf dem Zylinderblock, zum anderen auf dem Laufbuchsenbund anliegen.

Verwendung findet die erfindungsgemäße metallische Zylinderkopfdichtung für Verbrennungsmotoren mit Laufbuchsen, sog. Buchsenmotoren, zur Abdichtung von Zylinderlaufbuchsen gegenüber Kühlwasser bzw. Brenngasen am oberen Laufbuchsenrand.

Ein besonderer Vorteil der hier beschriebenen erfindungsgemäßen metallischen Zylinderkopfdichtung beruht darauf, dass die Abdichtfunktion als zusätzliche Funktionalität in die Zylinderkopfdichtung integriert ist, was zu einem geringeren Montage- und Kostenaufwand führt. Weiterhin sind die verwendeten elastischen Elemente zur Abdichtung weitgehend temperatur- und medienunempfindlich.

Anhand der nachfolgenden Figuren soll der anmeldungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten exemplarischen Ausführungsformen zu beschränken.
1 zeigt den Querschnitt einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung in Verbindung mit einem Zylinderblock und einer Laufbuchse eines Buchsenmotors,
2 zeigt eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung,
3 zeigt eine zweite Variante einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung,
4 zeigt eine dritte Variante einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung und
5 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung.
In 1 ist der Querschnitt eines Verbrennungsmotors mit Laufbuchse im Bereich der Stoßstelle zwischen Zylinderblock 1 und Laufbuchsenbund 2 dargestellt. An dieser Stoßstelle kommt es zur Ausbildung eines Ringspaltes 3 am oberen Laufbuchsenrand. Aufgabe der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung ist es, eine Abdichtung gegenüber Brenngasen bzw. Kühlwasser an diesem oberen Laufbuchsenrand zu erreichen. Dies wird durch eine metallische Zylinderkopfdichtung 4 und ein hieran angeordnetes elastisches Element 5 realisiert.
2 zeigt eine erste Variante für die Abdichtung am oberen Laufbuchsenbund. Der an der Stoßstelle zwischen Zylinderblock 1 und Laufbuchsenbund 2 am oberen Laufbuchsenrand ausgebildete Ringspalt 3 wird gemäß dieser Variante mittels eines elastischen Elementes 5, das an der Zylinderkopfdichtung 4 angebracht ist, abgedichtet. Das elastische Element besteht dabei aus einem zwei Schenkel aufweisenden Blech aus Federstahl, wobei im eingebauten Zustand der eine Schenkel auf dem Zylinderblock und der andere Schenkel auf dem Laufbuchsenbund aufliegt. Aufbauend auf dem Prinzip einer Wippe, können so auch unterschiedliche Abstände zwischen Zylinderkopfdichtung und Zylinderblock bzw. Laufbuchsenbund ausgeglichen werden. Das elastische Element 5 besteht aus einem gesickten Blech, das über den Umfang teilweise oder vollständig durch Schweißen, Löten, Kleben oder mechanisches Verspannen an der Zylinderkopfdichtung angebracht ist.
In 3 ist eine Variante der erfindungsgemäßen metallischen Zylinderkopfdichtung dargestellt, bei der der Ringspalt 3 am oberen Laufbuchsenrand an der Stoßstelle zwischen Zylinderblock 1 und Laufbuchsenbund 2 mit einem Gummipuffer 6 als elastisches Element abgedichtet ist. Da Zylinderblock 1 und Laufbuchsenbund 2 im unterschiedlichen Abstand zur Zylinderkopfdichtung 4 abschließen, weist der Gummipuffer 6 Schenkelbereiche unterschiedlicher Dicke auf.
4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung, die auf einer Kombination der Ausführungsform der 2 und 3 basiert. In diesem Fall besteht das elastische Element aus einem zwei Schenkel aufweisenden Blech 5 aus Federstahl, wobei im eingebauten Zustand die Schenkel nicht direkt auf dem Zylinderblock bzw. dem Laufbuchsenbund aufliegen, sondern diese noch durch Gummipuffer 7 und 7' abgefedert werden. Das Blech 5 ist auch in diesem Beispiel gesickt. Für den Fall, dass Zylinderblock 1 und Laufbuchsenbund 2 in unterschiedlichen Abstand zur Zylinderkopfdichtung 4 abschließen, kann entweder die Höhe der Gummipuffer 7 und 7' bzw. der Grad der Sickung an den beiden Schenkeln des Bleches 5 beeinflusst werden.
5 zeigt schließlich eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung, bei der zwei Gummipuffer 7 und 7' direkt zwischen Zylinderkopfdichtung 4 und Zylinderblock 1 bzw. Laufbuchsenbund 2 angeordnet sind. Auch hier werden die unterschiedlichen Abstände zwischen Zylinderkopfdichtung und Zylinderblock bzw. Laufbuchsenbund durch unterschiedliche Höhen der Gummipuffer 7 und 7' ausgeglichen. Die Gummipuffer sind dabei in der Regel durch eine Klebeverbindung an dem metallischen Blech der Zylinderkopfdichtung angebracht.

Claims

Metallische Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor mit Laufbuchse, umfassend mindestens eine metallische Lage in die mindestens eine Öffnung für den Brennraum und weitere Öffnungen, z.B. für Fluide, eingebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass in die mindestens eine metallische Lage im an die Brennraum-Durchgangsöffnung angrenzenden Bereich ein diese Öffnung vollständig umlaufendes ringförmiges elastisches Element integriert ist, wobei das elastische Element so ausgebildet und in die mindestens eine metallische Lage integriert ist, dass es im eingebauten Zustand die Stoßstelle zwischen Zylinderblock und Laufbuchsenbund überbrückt.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element ein zwei Schenkel aufweisendes Blech aus Federstahl ist, wobei im eingebauten Zustand der eine Schenkel auf dem Zylinderblock und der andere Schenkel auf dem Laufbuchsenbund liegt.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech gesickt ist.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element ein- und/oder beidseitig eine funktionelle Oberflächenbeschichtung aufweist.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Schenkel, im eingebauten Zustand, in eine Nut im Zylinderblock und/oder im Laufbuchsenbund eingreifen.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element ein zwei freie Schenkel aufweisendes Blech aus Federstahl ist und dass es auf der der mindestens einer metallischen Lage abgewandten Seite im Bereich der jeweiligen Schenkelenden Gummipuffer aufweist, wobei im eingebauten Zustand, die Gummipuffer auf Zylinderblock und dem Laufbuchsenbund liegen.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gummipuffer unterschiedliche Höhe besitzen.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element aus einem Gummipuffer und aus einer in der mindestens einen metallischen Lage angeordneten Sicke gebildet ist, wobei im eingebauten Zustand der Gummipuffer auf dem Block und die Sicke auf dem Laufbuchsenbund liegt.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element aus zwei Gummipuffern besteht, wobei im eingebauten Zustand die Gummipuffer auf dem Zylinderblock und dem Laufbuchsenbund liegen.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige metallische Element über den Umfang teilweise oder vollständig durch Schweißen, Löten, Kleben oder mechanischem Verspannen an das mindestens eine metallische Blech der Zylinderkopfdichtung angebracht ist.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige metallische Element unterhalb der Zylinderkopfdichtung eingelegt ist.
Verwendung der metallischen Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Abdichtung von Zylinderlaufbuchsen eines Hubkolben-Verbrennungsmotors.