DE102004054738A1

DE102004054738A1 - Zylinderkopfdichtung

Info

Publication number: DE102004054738A1
Application number: DE200410054738
Authority: DE
Inventors: Bernhard Lötscher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2006-09-14

Abstract

Zwischen Motorbauteil-Dichtflächen eines Hubkolben-Verbrennungsmotors einzuspannende Zylinderkopfdichtung mit einem Sensorelement zur Erfassung von Gasdruckänderungen in einem Zylinder des Verbrennungsmotors; zur möglichst unmittelbaren Erfassung solcher Gasdruckänderungen wird als Sensorelement ein auf eine Zugbeanspruchung parallel zur Dichtungsebene ansprechender Dehnungssensor vorgesehen, der an einen einem Zylinder benachbarten Meßstellenbereich einer Motorbauteil-Dichtfläche reibungsschlüssig angekoppelt oder zwischen Metallblechlagen einer mehrlagigen Zylinderkopfdichtung angeordnet, mit einer der Blechlagen fest verbunden und an einen einer Brennraum-Durchgangsöffnung benachbarten Meßstellenbereich einer benachbarten anderen Blechlage reibungsschlüssig angekoppelt ist.

Description

Die Erfindung befaßt sich mit Zylinderkopfdichtungen, in die ein oder mehrere Sensorelemente zur qualitativen Erfassung der zeitlichen Gasdruckänderungen in den Zylindern (Brennräumen) von Hubkolben-Verbrennungsmotoren integriert sind, wobei die durch die Sensorelemente erzeugten elektrischen Signale sowohl der Überwachung des Verbrennungsvorgangs, als auch der Steuerung des Brennverlaufs dienen können. Derartige Zylinderkopfdichtungen mit integrierter Sensorik ergeben sich zum Beispiel aus der WO 91/18198 der Elring Dichtungswerke GmbH und weisen mehrere, in die Dichtungsplatte der jeweiligen Dichtung integrierte und in dieser so angeordnete Sensorelemente auf, daß eine zylinderselektive Überwachung bzw. Steuerung des Brennverlaufs möglich ist – für eine Überwachung bzw. Steuerung des Brennverlaufs ist grundsätzlich eine nur qualitative Messung der Gasdruckänderungen mit ausreichender zeitlicher Auflösung ausreichend.

In der WO 91/18198 wird unter anderem eine Zylinderkopfdichtung beschrieben, deren Dichtungsplatte ein Trägerblech aufweist, auf dessen beide Seiten jeweils eine sogenannte Weichstoffschicht aufgebracht ist (derartige in der Dichtungstechnik verwendete Weichstoffschichten bestehen üblicherweise aus Fasermaterial und/oder einem mineralischen Füllstoff sowie einem elastomeren Bindemittel), und in eine der Weichstoffschichten sind drucksensitive, plättchenartige Sensorelemente aus piezoelektrischem oder piezoresistivem Material eingebettet, mit denen sich im Motorbetrieb auftretende Änderungen des Drucks erfassen lassen, der bei eingebauter Zylinderkopfdichtung von den Motorbauteil-Dichtflächen des Zylinderkopfs und des Motorblocks auf die Dichtungsplatte der Zylinderkopfdichtung ausgeübt wird und aus folgenden Gründen sowohl örtlich unterschiedlich ist als auch zeitlich variiert: Da die Motorbauteile Motorblock und Zylinderkopf nicht als absolut starre Bauteile betrachtet werden dürfen und die auf die Zylinderkopfdichtung einwirkenden Einspannkräfte an wenigen Stellen, nämlich durch die Zylinderkopfschrauben, aufgebracht werden, nehmen die Einspannkräfte mit wachsenden Abständen von den Zylinderkopfschrauben ab und sind die Abstände der beiden Motorbauteil-Dichtflächen voneinander bereichsweise unterschiedlich; ferner führt der bei der Zündung eines Zylinders in diesem auftretende hohe Spitzenwert des Gasdrucks zu einer Aufwölbung des Zylinderkopfs und damit der Zylinderkopf-Dichtfläche, so daß die örtliche Vergrößerung des Abstands der beiden Motorbauteil-Dichtflächen voneinander eine örtliche Reduzierung des auf die Zylinderkopfdichtung einwirkenden Drucks zur Folge hat. Die vorstehend erwähnten drucksensitiven, plättchenartigen Piezo-Sensorelemente sind nicht komprimierbar, weshalb die Kompressibilität der Weichstoffschichten der beschriebenen bekannten Zylinderkopfdichtung von Bedeutung ist, denn diese Weichstoffschichten bilden eine elastische Unterlage für die Sensorelemente – bei einer starren Unterlage könnten u.U. die keramischen Materialien, aus denen diese drucksensitiven, plättchenartigen Piezo-Sensorelemente bestehen, unter der im Motorbetrieb auftretenden dynamischen Druckbelastung auf die Dauer zerstört werden, und diese elastische Unterlage bildet einen Weg-Kraft-Wandler, der die Änderungen des Abstands der beiden Motorbauteil-Dichtflächen in Änderungen des auf die Sensorelemente einwirkenden Drucks umsetzt.

Moderne Zylinderkopfdichtungen haben eine mindestens im wesentlichen metallische Dichtungsplatte aus einer Metallblechlage oder mehreren übereinander angeordneten Metallblechlagen, und eine solche mehrlagige metallische Zylinderkopfdichtung wird auch in der WO 91/18198 erwähnt (siehe letzter Satz des zweiten Absatzes der Seite 18).

In der DE-199 13 092-A1 wird anhand der 7 bis 12 eine dreilagige metallische Zylinderkopfdichtung beschrieben, bei der eine mittlere, als Trägerblech bezeichnete Blechlage einen Schlitz aufweist, der sich vom äußeren Rand des Trägerblechs bis in die Nähe einer Brennraum-Durchgangsöffnung der Dichtungsplatte erstreckt; in diesen Schlitz wird ein längliches Sensorelement eingelegt, bei dem es sich um ein Thermoelement handelt, dessen Meßspitze dann am inneren Schlitzende in der Nähe der Brennraum-Durchgangsöffnung liegt. In der DE -199 13 092-A1 werden zwar auch andere Sensorelemente aufgeführt, nämlich Dehnungsmeßstreifen, piezoelektrische, piezoresistive, kapazitive, magnetische, elektromagnetische und Wirbelstrom-Sensoren sowie Lichtwellenleiter, mit denen sich Bewegungen innerhalb der Zylinderkopfdichtung und Bewegungen der gegen die Zylinderkopfdichtung anliegenden Motorbauteil-Dichtflächen, verursacht durch Gasdruckänderungen in den Brennräumen, gemessen werden sollen, ohne daß jedoch angegeben werden würde, wie sich dies mit diesen anderen Sensorelementen bewerkstelligen lassen soll. Da die Zylinderkopfdichtung, welche Gegenstand der DE-199 13 092-A1 ist, eine Weiterbildung der Zylinderkopfdichtung sein soll, welche sich aus der der WO 91/18198 entsprechenden EP-0 482 164-B1 ergibt und der Erfassung von Gasdruckänderungen durch eine Messung der zeitlichen Änderungen des Abstands der Motorbauteil-Dichtflächen voneinander dient, ist davon auszugehen, daß unter den in der DE-199 13 092-A1 erwähnten Bewegungen der gegen die Zylinderkopfdichtung anliegenden Motorbauteil-Dichtflächen Bewegungen senkrecht zur Zylinderkopfdichtung und damit senkrecht zu den Motorbauteil-Dichtflächen zu verstehen sind.

Durch die vorliegende Erfindung sollten Zylinderkopfdichtungen mit integrierter Sensorik zu Erfassung von Gasdruckänderungen in den Zylindern von Hubkolben-Verbrennungsmotoren geschaffen werden, welche diese Gasdruckänderungen unmittelbarer erfassen als über eine Messung der zeitlich variierende Abstände der Motorbauteil-Dichtflächen voneinander, um so zu einer besseren Qualität der durch die Sensorik erzeugten Meßsignale zu kommen, und zwar bei Mehrzylindermotoren auch hinsichtlich der zylinderspezifischen Erfassung der Gasdruckänderungen.

Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, von dem Umstand Gebrauch zu machen, daß eine Gasdruckerhöhung in einem Zylinder (Brennraum) zu einer radialen Aufweitung des Zylinders führt, welche eine Dehnung der Motorbauteil-Dichtflächen um den betreffenden Zylinder herum zur Folge hat. Solche Dehnungen haben eine bezüglich der Zylinderachse radiale Komponente, wegen der Aufweitung des Zylinders aber auch eine tangentiale Komponente, da sich der Umfang der Zylinderwand vergrößert. Da die Zylinderkopfdichtung zwischen den Motorbauteil-Dichtflächen eingespannt ist und dabei hohe spezifische (das heißt auf die Flächeneinheit bezogene) Flächenpressungen zwischen der Zylinderkopfdichtung und den Motorbauteil-Dichtflächen vorliegen, so daß die Zylinderkopfdichtung reibungsschlüssig an die Motorbauteil-Dichtflächen angekoppelt ist, lassen sich diese Dehnungen mit einem als Dehnungssensor ausgebildeten Sensorelement grundsätzlich sowohl an einer Motorbauteil-Dichtfläche, als auch – obwohl weniger vorteilhaft – an einer Metallblechlage der Zylinderkopfdichtung erfassen, wenn der an der Zylinderkopfdichtung angebrachte Dehnungssensor an die Motorbauteil-Dichtfläche reibungsschlüssig angekoppelt ist (aufgrund der geschilderten hohen spezifischen Flächenpressungen) bzw. der Dehnungssensor mit der Metallblechlage verbunden (wie dies an sich bei als Dehnungsmeßstreifen ausgebildeten Dehnungssensoren üblich ist) oder – was zu bevorzugen wäre – an die Metallblechlage reibungsschlüssig angekoppelt ist, so daß dem Dehnungssensor eine Dehnung der Metallblechlage aufgezwungen wird. Die Verbindung zwischen dem Dehnungssensor und der Blechlage kann dabei zum Beispiel durch Verkleben erfolgen, so wie dies an sich bei Dehnungsmeßstreifen üblich ist, welche mit dem zu vermessenden Werkstück vollflächig verklebt werden. Eine Verklebung bringt allerdings auch Nachteile mit sich: Eine Klebstoffschicht verändert im Laufe der Zeit und bei höheren Temperaturen ihre Eigenschaften und ist mit einer Spaltelastizität verbunden, welche die Signalqualität des Dehnungssensors verschlechtert, und eine Verklebung verteuert die Fertigung.

Ausgehend von einer zwischen Motorbauteil-Dichtflächen eines Motorblocks und eines Zylinderkopfs einzuspannenden Zylinderkopfdichtung mit einer wenigstens eine Brennraum-Durchgangsöffnung aufweisenden Dichtungsplatte und mindestens einem Sensorelement zur Erfassung von Gasdruckänderungen in einem der Brennraum-Durchgangsöffnung zugeordneten Zylinder des Motors läßt sich der Grundgedanke der Erfindung dadurch verwirklichen, daß zur Erfassung einer durch eine Gasdruckerhöhung bewirkten Dehnung eines dem Zylinder benachbarten Meßstellenbereichs einer ersten der Motorbauteil-Dichtflächen das Sensorelement als auf eine Zugbeanspruchung des Sensorelements parallel zur Ebene der Dichtungsplatte ansprechender Dehnungssensor ausgebildet und an einer Hauptoberfläche der Dichtungsplatte so angeordnet ist, daß bei zwischen den Motorbauteil-Dichtflächen eingespannter Zylinderkopfdichtung der Dehnungssensor gegen den Meßstellenbereich angepreßt und an diesen reibungsschlüssig angekoppelt ist. Derartige Ausführungsformen des Grundgedankens der Erfindung eignen sich sowohl für sogenannte Weichstoffdichtungen, wie sie in der WO 91/18198 beschrieben sind, als auch für Zylinderkopfdichtungen, deren Dichtungsplatte mindestens im wesentlichen von wenigstens einer den Dehnungssensor tragenden Metallblechlage gebildet wird.

Wenn eine Anordnung des Sensorelements an einer der Hauptoberflächen der Dichtungsplatte der Zylinderkopfdichtung vermieden werden soll, läßt sich bei einer Zylinderkopfdichtung, deren Dichtungsplatte mindestens zwei aufeinander angeordnete Metallblechlagen aufweist, die erfindungsgemäße Lösung so verwirklichen, daß zur Erfassung einer durch eine Gasdruckerhöhung bewirkten Dehnung eines dem Zylinder benachbarten Bereichs mindestens einer der Motorbauteil-Dichtflächen das Sensorelement als auf eine Zugbeanspruchung des Sensorelements parallel zur Ebene der Dichtungsplatte ansprechender Dehnungssensor ausgebildet und zwischen den Metallblechlagen so angeordnet ist, daß der Dehnungssensor mit einer der Blechlagen fest verbunden oder bei zwischen den Motorbauteil-Dichtflächen eingespannter Zylinderkopfdichtung mindestens gegen einen der Brennraum-Durchgangsöffnung benachbarten Meßstellenbereich mindestens einer ersten der beiden Blechlagen angepreßt und an diesen Meßstellenbereich reibungsschlüssig angekoppelt ist. Der Dehnungssensor erfaßt dann eine Dehnung einer Motorbauteil-Dichtfläche nicht unmittelbar, sondern vermittels der Dehnung einer Blechlage, welche direkt oder indirekt reibungsschlüssig an die besagte Motorbauteil-Dichtfläche angekoppelt ist und infolgedessen zumindest annähernd in der gleichen Weise gedehnt wird wie die Motorbauteil-Dichtfläche selbst.

Bezüglich der Interpretation der vorliegenden Erfindung sei noch auf folgendes hingewiesen: Wenn von der Dichtfläche eines Motorblocks die Rede ist, kann diese von einer der eingebauten Zylinderkopfdichtung zugewandten Dichtfläche des eigentlichen Motorblocks und/oder einer der Zylinderkopfdichtung zugewandten Dichtfläche einer in den Motorblock eingesetzten Zylinderlaufbuchse gebildet werden. Mehrzylindermotoren müssen nicht notwendigerweise einen einzigen Zylinderkopf haben, sondern es kann auch für jeden Zylinder ein separater Zylinderkopf vorgesehen sein (gegebenenfalls auch für jeden Zylinder eine separate Zylinderkopfdichtung), so daß eine oder mehrere Zylinderkopfdichtungen zwischen dem Motorblock (gegebenenfalls samt Zylinderlaufbuchsen) und mehreren Zylinderköpfen eingespannt ist bzw. sind.

Bei einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung, deren Dichtungsplatte mehrere aufeinander angeordnete Metallblechlagen aufweist, zwischen denen der Dehnungssensor angeordnet ist, empfiehlt es sich, den Dehnungssensor mit einer solchen Blechlage fest zu verbinden bzw. an eine solche Blechlage reibungsschlüssig anzukoppeln, bei der es sich um eine äußere Blechlage der Dichtungsplatte handelt, damit zwischen der Motorbauteil-Dichtfläche, deren Dehnungen zu erfassen sind, und dem Dehnungssensor nur eine einzige Blechlage liegt.

Damit der Dehnungssensor gegen den Meßstellenbereich einer Motorbauteil-Dichtfläche oder einer Metallblechlage im Motorbetrieb stets genügend fest und zuverlässig angepreßt wird, empfiehlt es sich, auf der vom Meßstellenbereich abgewandten Seite des Dehnungssensors eine diesen tragende und mit dem Dehnungssensor sowie der Dichtungsplatte verbundene elastische Unterlage vorzusehen; diese ermöglicht es dann auch, den Dehnungssensor mit seinem Träger nicht nur punktuell, sondern flächig zu verbinden, da eine solche elastische Unterlage hinreichend verformungsweich ist, damit der Dehnungssensor zumindest annähernd in gleicher Weise gedehnt werden kann wie der Meßstellenbereich. Da Flachdichtungen häufig mit einer elastomeren Beschichtung versehen werden, die bei einer partiellen Beschichtung insbesondere im Siebdruckverfahren aufgebracht wird, könnte die elastische Unterlage von einer elastomeren Beschichtung einer Metallblechlage der Dichtungsplatte gebildet werden, da sich dies mit bei Dichtungsherstellern vorhandenen Vorrichtungen bewerkstelligen läßt; zu bevorzugen sind jedoch wesentlich dickere elastische Unterlagen.

Damit der Dehnungssensor auch bei einer Zylinderkopfdichtung mit einer zumindest im wesentlichen metallischen Dichtungsplatte das Abdichtverhalten der Dichtung nicht stört, ist es von Vorteil, wenn eine den Dehnungssensor tragende Metallblechlage der Dichtungsplatte eine Aussparung aufweist, in die der Dehnungssensor eingesetzt ist, so daß letzterer die Dichtungsplatte nicht mit seiner ganzen Dicke bzw. Höhe überragt.

Die durch hohe Gasdrücke bewirkten Dehnungen sind in der Regel im Motorblock am größten, da dieser den größten Teil des Brennraums eines Zylinders aufnimmt. Deshalb ist es von Vorteil, wenn der Dehnungssensor so angeordnet wird, daß bei eingebauter Zylinderkopfdichtung die die Dehnung erfassende Sensorseite bzw. die reibungsschlüssig anzukoppelnde Seite des Dehnungssensors der Motorblock-Dichtfläche zugewandt ist.

Bei einer Zylinderkopfdichtung für einen Mehrzylindermotor werden für eine möglichst gute zylinderspezifische Erfassung der Gasdruckänderungen vorteilhafterweise mehrere, den Brennraum-Durchgangsöffnungen der Dichtungsplatte benachbarte Dehnungssensoren vorgesehen – wenn die Kurbelwelle des Motors mit einem Drehwinkelgeber gekoppelt ist, könnte man grundsätzlich auch mit einem einzigen Dehnungssensor auskommen, dessen Meßsignalabschnitte mit Hilfe des Drehwinkelgebers den Verbrennungsvorgängen in den verschiedenen Zylindern zugeordnet werden könnten. Bei einer Zylinderkopfdichtung für einen Mehrzylindermotor und einer möglichst guten zylinderspezifischen Erfassung der Gasdruckänderungen läßt sich die Anzahl der erforderlichen Dehnungssensoren sowie die Anzahl der Signalleitungen dadurch verringern, daß die Dehnungssensoren jeweils zwei einander benachbarten Brennraum-Durchgangsöffnungen der Dichtungsplatte zugeordnet und zwischen diesen angeordnet sind, insbesondere an der schmälsten Stelle des zwischen zwei einander benachbarten Brennraum-Durchgangsöffnungen verbleibenden Stegs der Dichtungsplatte oder in einem der beiden Zwickel der Dichtungsplatte, die sich an diesen Steg anschließen und zwischen den Brennraum-Durchgangsöffnungen liegen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Dehnungssensor von beiden Brennraum-Durchgangsöffnungen denselben Abstand hat, damit sich Gasdruckänderungen in jedem der beiden einander benachbarten Zylinder in gleichem Maße auf den Dehnungssensor auswirken.

Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignete Dehnungssensoren der unterschiedlichsten Art sind auf dem Markt verfügbar, besonders geeignet sind aber folienartig ausgebildete Dehnungssensoren, die die Gestalt eines Folienplättchens, insbesondere aber die Gestalt eines Folienstreifens haben. Besonders bevorzugt werden dabei vor allem Dehnungsmeßstreifen, verwendbar sind aber auch Piezofolien, wobei zu den letzteren folgendes zu bemerken ist: Piezoelektrische Materialien sind anisotrop, das heißt ihre elektrischen Eigenschaften variieren je nach Richtung der Dehnung des Materials. Proportional zum Einwirken äußerer Kräfte ergeben sich an Körpern aus einem piezoelektrischen Material elektrische Ladungen, welche an metallisch beschichteten Außenflächen dieser Körper abgegriffen werden können. Bei Piezofolien erfolgt der Abgriff des elektrischen Signals stets an den Hauptoberflächen, wenn die Folie in der von der Folie definierten Ebene beansprucht wird. Ein für Piezofolien besonders vorteilhaftes piezoelektrisches Material ist hochpolarisiertes Polyvinylidenfluorid. Dehnungsmeßstreifen sind anderen in Frage kommenden Sensortypen schon deshalb vorzuziehen, weil sie einen Isolationswiderstand (gegenüber der Umgebung) erfordern, welcher um mindestens 6 Zehnerpotenzen kleiner ist als derjenige für Piezofolien (> 10⁴ Ω im Vergleich zu mindestens > 10¹⁰ Ω). Dieser Vorteil ist vor dem Hintergrund zu bewerten, daß Zylinderkopfdichtungen Medien wie Kühlmittel-Frostschutzmitteln und Schmier-Ölen ausgesetzt sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist für den Dehnungssensor eine Betriebs- und Sensorsignal-Auswerteschaltung vorgesehen, welche an einem bei eingebauter Zylinderkopfdichtung ungepreßten Bereich der Dichtungsplatte angeordnet sein kann und eine Restorer-Schaltung enthält, durch die der im Motorbetrieb periodisch auftretende tiefste Wert eines vom Dehnungssensor abgeleiteten Meßwertsignals auf einem festen Bezugspotential gehalten wird, wodurch sich zum Beispiel negative Auswirkungen eines Temperaturgangs des Dehnungssensors oder einer Alterung der elastischen Unterlage vermeiden lassen; einfacher ist es jedoch, die Funktion einer Restorerschaltung der Software der Motorsteuerung zu übertragen, so daß die Restorerschaltung entfallen kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Schaltung ein auf den Betriebsdrehzahlbereich des Motors abgestimmtes Bandpaßfilter enthalten (vorzugsweise für einen Bereich von ca. 1 Hz bis ca. 10 kHz), wodurch einerseits im Leerlauf des Motors nennenswerte Phasenverzerrungen vermieden werden und andererseits bei hohen Drehzahlen eine Auflösung des Meßwertsignals entsprechend einem geringen Kurbelwellendrehwinkel (zum Beispiel 1°) möglich wird.

Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung ist der Dehnungssensor so ausgebildet und bezüglich der Brennraum-Durchgangsöffnung so angeordnet, daß der Dehnungssensor mindestens überwiegend die bezüglich des Zylinders tangentiale Komponente einer Dehnung der Motorbauteil-Dichtfläche erfaßt (gegebenenfalls mittelbar über eine Metallblechlage der Zylinderkopfdichtung). Hat der Dehnungssensor eine längliche Gestalt, insbesondere die Gestalt eines Folienstreifens, wird er also so angeordnet, daß seine Längsrichtung parallel zu einer Tangente an die zugeordnete Brennraum-Durchgangsöffnung verläuft. Eine solche Ausrichtung des Dehnungssensors führt zu größeren Meßwertsignalamplituden als eine bezüglich der Brennraum-Durchgangsöffnung radiale Ausrichtung des Dehnungssensors, weil bei einer Vergrößerung des Brennraum- bzw. Zylinderdurchmessers die radiale Komponente der durch diese Aufweitung bewirkten Dehnung kleiner ist als die tangentiale Komponente (parallel zu einer Tangente an die Brennraumwand).

Von den Dehnungssensoren weg führende Leitungen lassen sich (ebenso wie beispielsweise gedruckte Leiterbahnen) ohne weiteres sehr flach ausbilden, aber auch in die Dichtungsplatte einbetten.

Ein erfindungsgemäß einzusetzender Dehnungssensor wird bevorzugt möglichst nahe der zugeordneten Brennraum-Durchgangsöffnung angeordnet, vorteilhafterweise jedoch radial außerhalb eines Brennraum-Abdichtsystems der Zylinderkopfdichtung, welches die Brennraum-Durchgangsöffnung umschließt.

Wird durch eine Restorer-Schaltung das Bezugspotential nach jedem Verbrennungszyklus, das heißt in der Gaswechselphase, wieder hergestellt, kann auf eine aufwendige Halb- oder Vollbrückenschaltung, wie sie sonst zum Beispiel für Dehnungsmeßstreifen üblich ist, verzichtet werden, auch wenn bei sehr kleinen Dehnungswerten (kleiner als 100 µm) das Signal-Rauschen-Verhältnis durch eine Halb- bzw. Voll-Brücke verbessert werden kann.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten zeichnerischen Darstellung sowie der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung; in der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung für einen 4-Zylinder-Motor;
2 einen schematischen Schnitt durch einen Teil einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung und einen Teil eines angrenzenden Motorblocks, wobei es sich bei der Zylinderkopfdichtung um eine solche handelt, deren Dichtungsplatte drei übereinander angeordnete Metallblechlagen aufweist;
3 eine der 2 entsprechende Schnittdarstellung durch eine gegenüber der in 2 dargestellten Ausführungsform abgewandelte erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung;
4 eine Betriebs- und Sensorsignal-Auswerteschaltung für einen Dehnungssensor einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung, und
5 ein zu 4 gehörendes Signaldiagramm.
Die in 1 in einer Draufsicht schematisch dargestellte erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung hat eine als Ganzes mit 10 bezeichnete Dichtungsplatte, die vier Brennraum-Durchgangsöffnungen 12, 14, 16 und 18 und einen bei eingebauter Zylinderkopfdichtung ungepreßten Anschlußbereich 20 aufweist. Die Dichtungsplatte 10 trägt zwei erfindungsgemäße Dehnungssensoren 22 und 24, die an bzw. in der Dichtungsplatte so gehalten sein können, wie dies anhand der 2 und 3 noch erörtert werden wird. Bei den Dehnungssensoren 22, 24 soll es sich um übliche Dehnungsmeßstreifen handeln, deren Längsrichtungen senkrecht zu einer Linie verlaufen, die die Zentren der Brennraum-Durchgangsöffnungen 12, 14, 16, 18 miteinander verbindet; damit verlaufen die Längsrichtungen der Dehnungssensoren bezüglich der Brennraum-Durchgangsöffnungen tangential. Bei der dargestellten Ausführungsform ist nicht für jede Brennraum-Durchgangsöffnung ein separater Dehnungssensor vorgesehen, sondern es sind vielmehr jeweils zwei Brennraum-Durchgangsöffnungen 12, 14 bzw. 16, 18 einem Dehnungssensor 22 bzw. 24 zugeordnet, der in einem der Stegbereiche 26 der Dichtungsplatte 10 angeordnet ist und von den Rändern der beiden benachbarten Brennraum-Durchgangsöffnungen gleich große Abstände aufweist. Generell wird man bei einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung zwecks Vereinfachung der Signalverarbeitung die Dehnungssensoren bezüglich der zugeordneten Brennraum-Durchgangsöffnungen sämtlich gleich anordnen.
Der Anschlußbereich 20 trägt eine Betriebs- und Sensorsignal-Auswerteschaltung 30 sowie vier Steckerkontakte für einen auf den Anschlußbereich 20 aufzusteckenden Stecker, welche mit 0, 1, 2 und +12 V bezeichnet wurden – mit 0 wurde ein Nulleiterkontakt, mit 1 ein dem Dehnungssensor 22 zugeordneter Meßwertsignalkontakt, mit 2 ein dem Dehnungssensor 24 zugeordneter Meßwertsignalkontakt und mit +12 V ein Spannungsversorgungskontakt bezeichnet. Die Schaltung 30 ist einerseits mit diesen Kontakten und andererseits über ein Bandkabel 32 mit den Dehnungssensoren 22, 24 verbunden.
Der Motor, für den die erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung vorgesehen ist, weist einen mit seiner Kurbelwelle gekoppelten Drehwinkelgeber auf, welcher es ermöglicht, Abschnitte des vom Dehnungssensor 22 bzw. vom Dehnungssensor 24 abgeleiteten Meßwertsignals dem Verbrennungsablauf in dem zur Brennraum-Durchgangsöffnung 12 bzw. 16 gehörenden Zylinder einerseits und dem Verbrennungsablauf in dem zur Brennraum-Durchgangsöffnung 14 bzw. 18 gehörenden Zylinder andererseits zuzuordnen, und bezüglich der Einzelheiten einer solchen zylinderspezifischen Zuordnung wird auf die WO 91/18198 verwiesen.
Die 2 zeigt einen an einen Brennraum 40 angrenzenden Bereich eines Kurbelgehäuses oder Motorblocks 42, und zwar in einem Schnitt längs einer die Achse 44 des Brennraums 40 enthaltenden Ebene. Ein im Motorblock 42 ausgebildeter Kühlmittelhohlraum wurde mit 46 bezeichnet.
Eine Zylinderkopfdichtung 48 liegt auf einer Motorblock-Dichtfläche 50 auf und hat eine Dichtungsplatte, in der sich eine zum Brennraum 40 gehörende Brennraum-Durchgangsöffnung 52 befindet. Die Dichtungsplatte der Zylinderkopfdichtung 48 besteht mindestens im wesentlichen aus drei übereinander angeordneten Metallblechlagen 54, 56 und 58 mit übereinander liegenden Öffnungen, welche zusammen die Brennraum-Durchgangsöffnung 52 bilden. Die beiden äußeren Blechlagen 54 und 58, die die beiden Hauptoberflächen der Dichtungsplatte bilden, sind mit Sicken 54a, 58a versehen, welche die Brennraum-Durchgangsöffnung 52 kreisförmig umschließen, in Richtung auf die Blechlage 56 vorspringen und bei eingebauter, das heißt gepreßter Zylinderkopfdichtung abdichtend gegen die Blechlage 56 anliegen. Zum Schutz dagegen, daß die Sicken 54a, 58a im Motorbetrieb übermäßig gepreßt und abgeflacht werden, ist die Blechlage 56 mit einem sogenannten Stopper 56a versehen, der die Brennraum-Durchgangsöffnung 52 gleichfalls kreisförmig umschließt und durch Umfalzen des Blechs gebildet wurde.
Ein Zylinderkopf, zwischen dem und dem Motorblock 42 die Zylinderkopfdichtung 48 eingespannt wird, wurde der Einfachheit halber weggelassen.
Erfindungsgemäß weist die Blechlage 58 in der Nachbarschaft der Brennraum-Durchgangsöffnung 52, jedoch bezüglich der Brennraum-Achse 44 radial außerhalb des von den Sicken 54a, 58a gebildeten Brennraum-Abdichtsystems eine Aussparung, in diesem Fall eine Öffnung in Form eines Fensters 58b auf, in dem ein Dehnungsmeßstreifen 60 liegt, welcher die von der Blechlage 58 gebildeten Hauptoberfläche der Dichtungsplatte nur geringfügig überragt und von einer elastischen Unterlage 62 in Form eines Gummiblocks getragen wird; dieser kann mit der Blechlage 56 verklebt, gegebenenfalls auch mit dem Dehnungsmeßstreifen 60 verbunden sein. Um den Dehnungsmeßstreifen 60 bei eingebauter Zylinderkopfdichtung und im Motorbetrieb hinreichend fest gegen die Motorblock-Dichtfläche 50 anzupressen und an diese anzukoppeln, sollte die Unterlage 62 dann in erheblichem Maße komprimiert sein (gegenüber ihrem Zustand bei nicht eingebauter Zylinderkopfdichtung), zum Beispiel um ca. 40 % bei einer Shore-Härte des die Unterlagen bildenden Elastomers von ca. 50 bis ca. 60.
Ein Bandkabel 64 verbindet den Dehnungsmeßstreifen 60 bei der dargestellten Ausführungsform mit einem Stecker 66, an dessen Stelle bei der Ausführungsform gemäß 1 die Schaltung 30 tritt.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform soll die Längsrichtung des Dehnungsmeßstreifens 60 senkrecht zur Zeichnungsebene und damit tangential zum Brennraum 40 verlaufen.
Da bei eingebauter, das heißt zwischen dem Motorblock 42 und dem nicht gezeigten Zylinderkopf eingespannter Zylinderkopfdichtung 48 der Dehnungsmeßstreifen 60 reibungsschlüssig an die Motorblock-Dichtfläche 50 angekoppelt ist, werden Dehnungen der Motorblock-Dichtfläche dem Dehnungsmeßstreifen aufgezwungen.
Das Bandkabel 64 kann auf der Blechlage 58 oder in einer Aussparung dieser Blechlage verlaufen.
Da sich die in 3 gezeigte Ausführungsform von derjenigen gemäß 2 nur durch die Anordnung des Dehnungssensors unterscheidet, wurden in 3 dieselben Bezugszeichen wie in 2 verwendet, und im folgenden werden nur diejenigen Merkmale der Ausführungsform gemäß 3 beschrieben, durch die sich diese Ausführungsform von derjenigen gemäß 2 unterscheidet.
Bei der Ausführungsform gemäß 3 liegt ein Dehnungsmeßstreifen 60 innerhalb der Dichtungsplatte der Zylinderkopfdichtung 48 und soll an die Blechlage 58 reibungsschlüssig angekoppelt sein, weshalb er durch eine elastische Unterlage 62 gegen die Innenseite der Blechlage 58 gepreßt wird.
Da bei eingespannter Zylinderkopfdichtung 48 im Motorbetrieb die Blechlage 58 reibungsschlüssig an die Motorblock-Dichtfläche 50 angekoppelt ist, so daß Dehnungen in der Motorblock-Dichtfläche 50 der Blechlage 58 aufgezwungen werden, lassen sich mit dem Dehnungsmeßstreifen 60 die in der Motorblock-Dichtfläche 50 auftretenden Dehnungen erfassen.
Bei einer Abwandlung der in 3 gezeigten Ausführungsform könnte der Dehnungsmeßstreifen 60 mit der Blechlage 58 vollflächig verklebt sein, so daß die elastische Unterlage 62 entfallen könnte; dies ist aber insbesondere wegen der damit verbundenen Spaltelastizität nicht vorteilhaft. Bei der Ausführungsform gemäß 3 ist die Unterlage 62 mit der Blechlage 54 verklebt und durchgreift eine Aussparung 56a der Blechlage 56, bei der es sich aber auch um eine sogenannte Halblage handeln könnte, die die Gestalt eines die Brennraum-Durchgangsöffnung 52 umschließenden Blechrings hat, wobei bei einem Mehrzylindermotor die den verschiedenen Brennraum-Durchgangsöffnungen zugeordneten Blechringe brillenartig miteinander verbunden sein können.
Die 4 zeigt schließlich eine detaillierte Betriebs- und Sensorsignal-Auswerteschaltung 30 für einen Dehnungssensor einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung und soll hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Wirkungsweise im folgenden nur insoweit beschrieben werden, als dies für den Fachmann auf dem Gebiet der analogen Meßtechnik erforderlich ist.
In 4 wurden die üblichen Schaltungssymbole verwendet, so daß auf eine detaillierte Beschreibung des Schaltungsaufbaus verzichtet werden kann und im folgenden nur die wesentlichen Funktionen dieser Schaltung beschrieben werden.
Die Betriebs- und Sensorsignal-Auswerteschaltung läßt sich unterteilen in eine Brücken- und Versorgungsspannungsschaltung 100, eine Brückenschaltung 102, einen Wechselspannungsverstärker 104 für den Frequenzbereich 1 Hz bis 10 kHz, ein 1 Hz-Hochpaßfilter 106 und eine Restorerschaltung 108. Bestandteil der Brückenschaltung 102 ist ein Dehnungssensor 110 in Form eines auf dem Markt erhältlichen Dehnungsmeßstreifens.
Das am Ausgang des Hochpaßfilters 106 zur Verfügung stehende Wechselspannungssignal U wird über den Kondensator C kapazitiv auf den Widerstand R gekoppelt. Wenn die in der Restorerschaltung 108 erzeugte Spannung U_k die auch an der Restorerschaltung anliegende Referenzspannung U_R um einige µV unterschreitet, steigt die an der Diode D anliegende Spannung U_D und hält die Spannung U_k auf dem Wert U_R fest, und zwar unabhängig von der Schwellenspannung der Diode D und dem Strom
Während der nächsten Periode wird der Kondensator C durch diesen Strom etwas entladen, so daß anschließend die Spannung U_k etwas früher erreicht wird und die während der Meßperiode abgeflossene Ladung durch den von der Diode D erzeugten Stromstoß ersetzt wird. Dadurch werden die untersten Wendepunkte (Spitzen) der Wechselspannung (siehe 5) immer wieder auf die Referenzspannung U_R zurückgeführt (Restorerfunktion). Dabei muß die Entladerate
(in V/sec) kleiner sein als die maximale Änderung des negativen Spitzenwerts zwischen zwei Perioden, damit die nächste kleinere Negativspitze nicht größer wird als U_k. Der Spannungsfolger F wandelt die Impedanz von U_k (R) in das niederohmige Ausgangssignal A.

Claims

Zwischen Motorbauteil-Dichtflächen eines Motorblocks und eines Zylinderkopfs eines Hubkolben-Verbrennungsmotors einzuspannende Zylinderkopfdichtung mit einer wenigstens eine Brennraum-Durchgangsöffnung aufweisenden Dichtungsplatte und mindestens einem Sensorelement zur Erfassung von Gasdruckänderungen in einem der Brennraum-Durchgangsöffnung zugeordneten Zylinder des Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung einer durch eine Gasdruckerhöhung bewirkten Dehnung eines dem Zylinder benachbarten Meßstellenbereichs einer ersten der Motorbauteil-Dichtflächen das Sensorelement als auf eine Zugbeanspruchung des Sensorelements parallel zur Ebene der Dichtungsplatte ansprechender Dehnungssensor ausgebildet und an einer Hauptoberfläche der Dichtungsplatte so angeordnet ist, daß bei zwischen den Motorbauteil-Dichtflächen eingespannter Zylinderkopfdichtung der Dehnungssensor gegen den Meßstellenbereich angepreßt und an diesen reibungsschlüssig angekoppelt ist.
Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsplatte mindestens eine den Dehnungssensor tragende Metallblechlage aufweist.
Zwischen Motorbauteil-Dichtflächen eines Motorblocks und eines Zylinderkopfs eines Hubkolben-Verbrennungsmotors einzuspannende Zylinderkopfdichtung mit einer wenigstens eine Brennraum-Durchgangsöffnung und mindestens zwei aufeinander angeordnete Metallblechlagen aufweisenden Dichtungsplatte und mindestens einem Sensorelement zur Erfassung von Gasdruckänderungen in einem der Brennraum-Durchgangsöffnung zugeordneten Zylinder des Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung einer durch eine Gasdruckerhöhung bewirkten Dehnung eines dem Zylinder benachbarten Bereichs mindestens einer der Motorbauteil-Dichtflächen das Sensorelement als auf eine Zugbeanspruchung des Sensorelements parallel zur Ebene der Dichtungsplatte ansprechender Dehnungssensor ausgebildet und zwischen den Metallblechlagen so angeordnet ist, daß der Dehnungssensor mit einer der Blechlagen fest verbunden oder bei zwischen den Motorbauteil-Dichtflächen eingespannter Zylinderkopfdichtung mindestens gegen einen der Brennraum-Durchgangsöffnung benachbarten Meßstellenbereich mindestens einer ersten der beiden Blechlagen angepreßt und an diesen reibungsschlüssig angekoppelt ist.
Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Blechlage eine äußere Blechlage der Dichtungsplatte ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der vom Meßstellenbereich abgewandten Seite des Dehnungssensors eine diesen tragende und mit dem Dehnungssensor sowie der Dichtungsplatte verbundene elastische Unterlage vorgesehen ist.
Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Unterlage von einer elastomeren Beschichtung einer Metallblechlage der Dichtungsplatte gebildet wird.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Dehnungssensor tragende Metallblechlage der Dichtungsplatte eine Aussparung aufweist, in die der Dehnungssensor eingesetzt ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei eingebauter Zylinderkopfdichtung die reibungsschlüssig ankoppelbare Seite des Dehnungssensors der Motorblock-Dichtfläche zugewandt ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche für einen Mehrzylindermotor, deren Dichtungsplatte mehrere Brennraum-Durchgangsöffnungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß für eine zylinderspezifische Erfassung der Gasdruckänderungen mehrere den Brennraum-Durchgangsöffnungen benachbarte Dehnungssensoren vorgesehen sind.
Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dehnungssensor zwei einander benachbarten Brennraum-Durchgangsöffnungen zugeordnet und zwischen diesen angeordnet ist.
Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungssensor von beiden Brennraum-Durchgangsöffnungen denselben Abstand hat.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungssensor folienartig ausgebildet ist.
Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungssensor die Gestalt eines Folienstreifens hat.
Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungssensor ein Dehnungsmeßstreifen ist.
Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungssensor eine Piezofolie ist.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den Dehnungssensor eine Betriebs- und Sensorsignal-Auswerteschaltung vorgesehen ist, welche eine Restorer-Schaltung enthält, durch die der im Motorbetrieb periodisch auftretende tiefste Wert eines vom Dehnungssensor abgeleiteten Meßwertsignals auf einem festen Bezugspotential gehalten wird.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für den Dehnungssensor eine Betriebs- und Sensorsignal-Auswerteschaltung vorgesehen ist, welche ein auf den Betriebsdrehzahlbereich des Motors abgestimmtes Bandpaßfilter enthält.
Zylinderkopfdichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungssensor so ausgebildet und bezüglich der Brennraum-Durchgangsöffnung so angeordnet ist, daß der Dehnungssensor mindestens überwiegend die bezüglich des Zylinders tangentiale Komponente einer Dehnung der Motorbauteil-Dichtfläche erfaßt.