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Die
Erfindung betrifft eine Flachdichtung, und zwar insbesondere eine
Zylinderkopfdichtung, mit einer mindestens eine Materiallage, vorzugsweise
eine Metallblechlage aufweisenden Dichtungsplatte sowie mindestens
einem in die Dichtungsplatte integrierten Sensor zur Erfassung mindestens
eines auf die Flachdichtung einwirkenden Betriebsparameters, wie z.
B. Temperatur und/oder Druck.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Zylinderkopfdichtungen diskutiert
und erläutert werden, die Erfindung eignet sich aber auch
für andere Flachdichtungen, bei denen es von Vorteil ist,
wenn mit einer in eine Flachdichtung integrierten Sensorik Betriebsparameter
eines Geräts ermittelt werden können, in welches
die Flachdichtung eingebaut ist. Allerdings wird der Schwerpunkt
der Erfindung in ihrer Anwendung auf Zylinderkopfdichtungen gesehen, wie
sich aus dem Folgenden noch ergeben wird.
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Eine
in eine Zylinderkopfdichtung integrierte Sensorik zur Überwachung
beispielsweise von Motorbauteil-Temperaturen oder zur indirekten Überwachung
des Verbrennungsverlaufs in den Zylindern eines Hubkolben-Verbrennungsmotors,
beispielsweise durch die Erfassung der auf Zylinder-nahe Bereiche einer
Zylinderkopfdichtung einwirkenden, zeitlich variierenden Drücke
(Pressungskräfte), erreicht bislang ihre Grenzen dann,
wenn von einer Zylinderkopfdichtung eine geringe Einbaudicke gefordert
wird, d. h. eine geringe Dicke im eingebauten Zustand, so wie dies
bei modernen Motoren zunehmend der Fall ist, bei denen der durch
die Zylinderkopfdichtung abzudichtende Dichtspalt zwischen Motorblock
und Zylinderkopf immer schmäler (dünner) wird.
Beispielsweise Temperatursensoren werden auf dem Markt nur mit Dicken
von mindestens ca. 0,15 mm angeboten; auch ist die Fläche
solcher üblichen Sensoren in der Regel so groß,
dass sich diese Sensoren an den für die Erfassung des betreffenden
Betriebsparameters erwünschten Stellen einer Zylinderkopfdichtung
aus Platzgründen oft nicht unterbringen lassen. Schließlich
bedürfen die üblichen Sensoren noch eines Schutzes
gegen diejenigen Medien, denen die Zylinderkopfdichtung im Motorbetrieb
ausgesetzt ist, und gegen eine Zerstörung aufgrund der
auf die Zylinderkopfdichtung einwirkenden Pressungskräfte
sowie Reibungseinflüsse aufgrund von Schiebebewegungen
der gegen die Zylinderkopfdichtung anliegenden Dichtflächen
von Zylinderkopf und/oder Motorblock gegenüber der Zylinderkopfdichtung,
wie sie im Motorbetrieb auftreten.
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Der
Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die bekannten Flachdichtungen
der eingangs erwähnten Art zu verbessern, insbesondere
dahingehend, dass ihre Sensoren ohne aufwendige Schutzmaßnahmen den
im Betrieb unvermeidlichen Einflüssen zu widerstehen vermögen.
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Diese
Aufgabe lässt sich erfindungsgemäß dadurch
lösen, dass
- (a) der Sensor ein in
Dünnschichttechnologie auf eine Materiallage, insbesondere
eine Metallblechlage der Dichtungsplatte aufgebrachter Dünnschicht-Sensor
mit einer Gesamtdicke von höchstens 20 μm aus
der Gruppe der folgenden Sensoren ist: Temperatur-, Druck-, Deformations-
und kapazitive Abstandsmess-Sensoren, wobei
- (b) der Sensor aufweist:
(b.1) eine sensorische Schicht
und mindestens eine diese überdeckende elektrisch isolierende Hartstoffschicht,
oder
(b.2) eine diamantartige, zumindest hauptsächlich amorphe
und im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehende DLC-Schicht ("diamond-like-carbon"-Schicht).
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Die
Fraunhofer Technologie-Entwicklungsgruppe Stuttgart TEG in D-70569
Stuttgart beschreibt in dem Aufsatz "Intelligente Schichten
für das Automobil von morgen", erschienen in JOT + Oberfläche, Journal
für Oberflächentechnik 45 (2005), Nr. 9, Seiten
64–67, Dünnschichtsensoren, wie sie erfindungsgemäß in
eine Flachdichtung integriert werden. In diesem Aufsatz werden die
folgenden Anwendungen solcher Dünnschichtsensoren offenbart:
Kombination eines Dünnschichtsensors mit einer Unterlegscheibe,
insbesondere zur Einstellung und Kontrolle von mittels Zylinderkopfschrauben
aufgebrachten Spannkräften und zur Verwendung als Klopfsensor
(Erfassung einer klopfenden Verbrennung in einem Hubkolben-Verbrennungsmotor),
sowie Integration eines solchen Dünnschichtsensors in eine
Laufbahn eines Wälzlagers.
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Ein
solcher Dünnschichtsensor mit sensorischer Schicht und
Hartstoffschicht lässt sich mit einer Gesamtdicke von weniger
als 10 μm herstellen, wobei die Hartstoffschicht nur ca.
100 Nanometer dick sein kann. Aber auch ein Dünnschichtsensor
in Gestalt einer DLC-Schicht lässt sich mit einer Dicke
unter 10 μm (insbesondere mit einer Dicke im Bereich von
2 bis 8 μm) herstellen. Außer ihrer äußerst
geringen Dicke haben die erfindungsgemäß einzusetzenden
Dünnschichtsensoren aber auch den Vorteil hervorragender
tribologischer Eigenschaften, nämlich einer extrem hohen
Härte bei gleichzeitig niedrigem Reibkoeffizienten, und
sie erfordern keine zusätzlichen Schutzmaßnahmen
gegen schädliche Einflüsse von Medien, denen eine
erfindungsgemäße Flachdichtung im Betrieb ausgesetzt
ist.
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Wenn
vorstehend davon die Rede ist, dass der Sensor auf eine Materiallage
aufgebracht ist, so ist hierunter nicht zu verstehen, dass sich
diese Materiallage über die ganze Dichtungsplatte erstrecken muss – der
Sensor könnte auch auf einem Materialstreifen aufgebracht
sein, welcher mit einer Lage der Dichtungsplatte verbunden ist.
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Bei
einem erfindungsgemäß einzusetzenden Dünnschichtsensor
aus einer sensorischen Schicht und einer Hartstoffschicht lässt
sich das Material für die sensorische Schicht ohne weiteres
so auswählen, dass alle Funktionen, wie Haftung an der
den Dünnschichtsensor tragenden Metallblechlage, sensorische
Empfindlichkeit und elektrische Kontaktierung der sensorischen Schicht,
mit nur einer einzigen Schicht verwirklicht werden können,
und die gewünschten Sensoreigenschaften, wie hohe Härte und
niedriger Reibkoeffizient, lassen sich durch die elektrisch isolierende
Hartstoffschicht verwirklichen. Alle diese Eigenschaften weist auch
ein erfindungsgemäß einzusetzender Dünnschichtsensor
aus einer einzigen DLC-Schicht auf.
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Wenn
vorstehend von Deformations-Sensoren die Rede war, sind hierunter
Sensoren zu verstehen, welche auf Dehnung, Stauchung und/oder Torsion
ansprechen.
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Außerdem
sei noch erwähnt, dass auch solche Flachdichtungen als
erfindungsgemäß anzusehen sind, bei denen ein
Dünnschichtsensor nicht auf eine Metallblechlage aufgebracht
ist, sondern auf eine für den jeweiligen Einsatzzweck hinreichend feste
und temperaturbeständige Lage aus einem nicht-metallischen
Material, wie z. B. einem geeigneten Kunststoff oder einem geeigneten
keramischen Material.
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Für
einen erfindungsgemäß einzusetzenden mehrschichtigen
Dünnschichtsensor empfehlen sich für die Hartstoffschicht
insbesondere Al2O3 und
ein Material, wie es unter der Marke SICON® von
dem Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik,
Braunschweig, Bundesrepublik Deutschland, angeboten wird, und für
die sensorische Schicht NiCr, Cr oder TiN.
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Bei
einem erfindungsgemäß einzusetzenden Dünnschichtsensor
aus einer DLC-Schicht ist die letztere eine im Wesentlichen amorphe
Kohlenstoffschicht, die mit oder ohne an den Kohlenstoff angelagerten
Wasserstoff vorliegen kann. Ihre Eigenschaften sind durch Dotierung
mit Fremdelementen in weiten Grenzen beeinflussbar, wobei Dotierung
und Herstellung einen erheblichen Einfluss auf die Nano-Struktur
der Schicht haben. Mit Metall dotierte derartige DLC-Schichten besitzen
in die amorphe Schicht eingebettete Nano-Kristalle. Bei bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung weist die DLC-Schicht also eine amorphe Matrix aus
C oder C:H und in die Matrix eingebettete Nano-Kristalle aus mit
Metall dotiertem C oder C:H auf.
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Soll
ein erfindungsgemäß einzusetzender Dünnschichtsensor
aus einer DLC-Schicht ein Kraftsensor sein, empfiehlt sich für
die DLC-Schicht eine DiaForce®-Schicht,
welche von der bereits erwähnten Fraunhofer Technologie-Entwicklungsgruppe Stuttgart
TEG entwickelt wurde und angeboten wird. Während die üblichen
Kraftsensoren nach dem Dehnungsmessstreifen-Prinzip für
die Erzeugung eines Messsignals eine Deformation der Messstelle
erfordern, erlaubt eine DiaForce®-Schicht
die Verwendung an einem steifen Träger. Eine Änderung
eines auf eine solche Schicht einwirkenden Drucks hat eine entsprechende Änderung
des elektrischen Widerstands dieser Schicht zur Folge, und für
die Erzeugung eines Messsignals sind nur Messströme von wenigen
Mikroampere erforderlich.
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Schließlich
sei noch darauf hingewiesen, dass ein erfindungsgemäß einzusetzender
Dünnschichtsensor aus einer DLC-Schicht nicht nur sehr hart,
sondern auch elastisch ist, so dass er sowohl Druckspannungen als
auch Zugspannungen aufnehmen kann.
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Weitere
Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten
Ansprüchen sowie der beigefügten zeichnerischen
Darstellung und der nachfolgenden Beschreibung einer in der Zeichnung
gezeigten erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung;
in der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf einen Teil einer im Wesentlichen metallischen, mehrlagigen
Zylinderkopfdichtung für einen Mehrzylindermotor;
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2 einen
Schnitt durch diese Zylinderkopfdichtung nach der Linie 2-2 in 1 und
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3 einen
Schnitt nach der Linie 3-3 in 1.
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Die 1 zeigt
eine als Ganzes mit 10 bezeichnete Dichtungsplatte der
Zylinderkopfdichtung, welche Brennraumöffnungen 12,
Schraubenlöcher 14 für den Durchtritt
von Zylinderkopfschrauben sowie weitere, nicht näher zu
erläuternde Durchgangsöffnungen für den
Durchtritt von Medien, wie Kühlwasser und Schmieröl,
aufweist, wobei diese weiteren Durchgangsöffnungen sämtlich
mit 16 bezeichnet wurden.
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Wie
sich aus den 2 und 3 ergibt, weist
bei der dargestellten Ausführungsform die Dichtungsplatte 10 drei
Metallblechlagen auf, nämlich zwei äußere
sogenannte Decklagen 18 und eine zwischen diesen angeordnete
mittlere Lage, bei der es sich um ein sogenanntes Trägerblech 20 handelt. Die
beiden Decklagen 18 bestehen aus Federstahlblech und sind
um jede Brennraumöffnung 12 herum mit höhenelastischen
Abdichtsicken 22 versehen, welche in Richtung auf das Trägerblech 20 vorspringen – derartige
Lagen werden üblicherweise als Funktionslagen bezeichnet.
Das Trägerblech 20 ist um jede Brennraumöffnung 12 herum
auf sich selbst zurückgefaltet und bildet so jeweils einen
ringförmigen verdickten Bereich 24, der, wenn
die Zylinderkopfdichtung im eingebauten Zustand gepresst ist, sowohl
einen radial inneren Abdichtbereich um die betreffende Brennraumöffnung
herum bildet, als auch einen sogenannten Stopper, durch den die
Abdichtsicken 22 vor einer unzulässig hohen Abflachung
geschützt werden.
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Die 1 zeigt
nun zwei erfindungsgemäße Dünnschichtsensoren 26 und 28,
wobei es sich bei dem Sensor 26 um einen Kraftsensor zur
Erfassung der auf die Zylinderkopfdichtung einwirkenden Pressungskräfte
und bei dem Sensor 28 um einen Temperatursensor handeln
soll. Elektrische Zuleitungen zu den beiden Sensoren wurden mit 30 bzw. 32 bezeichnet,
und diese Zuleitungen sollen als auf das Trägerblech 20 z.
B. aufgedruckte Folienleiterbahnen ausgebildet sein; diese Zuleitungen
können aber auch von Bereichen der sensorischen Schicht
gebildet werden.
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Wie
sich aus den 2 und 3 ergibt, sind
die erfindungsgemäß einzusetzenden Dünnschichtsensoren 26 und 28 erfindungsgemäß im
Inneren der Dichtungsplatte 10 angeordnet – jeder
dieser Dünnschichtsensoren wird von einer der beiden Decklagen 18 überdeckt.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform ist der einen Kraftsensor
bildende Dünnschichtsensor 26 in der Nachbarschaft
eines Schraubenlochs 14 angeordnet und in der Draufsicht
kreisringförmig gestaltet, so dass er dieses Schraubenloch
umschließt; ein solcher Kraftsensor könnte aber
auch an einer anderen Stelle der Dichtungsplatte 10 angeordnet sein,
allerdings vorzugsweise in der Nähe einer Brennraumöffnung 12 oder
zweier solcher Brennraumöffnungen. Mit solchen Kraftsensoren
lassen sich z. B. Verbrennungsabläufe in den Zylindern überwachen.
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Der
einen Temperatursensor bildende Dünnschichtsensor 28 wird
erfindungsgemäß möglichst nahe bei einer
Brennraumöffnung 12 angeordnet, bei der dargestellten
Ausführungsform allerdings radial außerhalb der
Abdichtsicken 22, welche in der 1 der Einfachheit
halber nicht dargestellt wurden. Der Dünnschichtsensor 28 hat,
wie die 1 erkennen lässt, eine
mäanderförmige Gestalt und soll einen temperaturabhängigen
elektrischen Widerstand haben, während es sich bei dem
einen Kraftsensor bildenden Dünnschichtsensor 26 um
einen piezoresistiven Sensor handeln soll.
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Die
Dünnschichtsensoren 26 und 28 können z.
B. durch ein fotolithografisches Verfahren oder durch ein direkt
schreibendes Laserverfahren erzeugt werden, aus dem Stand der Technik
können aber auch andere Auftragsverfahren ausgewählt werden,
so z. B. das Aufsputtern und das Plasma-CVD-Verfahren (CVD = chemical
vapor deposition).
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Zur
Ermittlung der im Motorbetrieb auftretenden dynamischen Änderungen
der Weite des Dichtspalts zwischen Zylinderkopf und Motorblock können
aber auch kapazitive Abstandsmesssensoren eingesetzt werden, welche
berührungslos die Relativbewegungen zwischen den Motorbauteilen
erfassen.
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Wenn
es sich bei einem oder beiden Dünnschichtsensoren 26, 28 um
einen solchen handelt, welcher aus einer sensorischen Schicht und
einer elektrisch isolierenden Hartstoffschicht besteht, liegt die
sensorische Schicht zwischen der Metallblechlage und der Hartstoffschicht;
alternativ kann die sensorische Schicht in einen Hartstoff eingebettet
sein.
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Zu
dem vorstehend erwähnten direkt schreibenden Laserverfahren
sei noch bemerkt, dass dabei eine flächig aufgebrachte
Dünnschicht mittels eines Lasers thermisch bereichsweise
zerstört wird, so dass von der Dünnschicht nur
die für den Einsatzzweck erforderlichen Bereiche auf einem
Träger verbleiben.
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Für
die Dotierung der vorstehend erwähnten DLC-Schichten kommen
Metalle wie Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta und W in Frage.
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Bei
dem Material SICON® handelt es
sich um amorphen Kohlenstoff, wobei an den Kohlenstoff Wasserstoff
angelagert ist, und dieser amorphe, wasserstoffhaltige Kohlenstoff
ist z. B. dotiert mit Si, O, N, F und B.
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Die
Dotierung des DLC-Materials hat einen großen Einfluss z.
B. auf den Temperaturverlauf des elektrischen Widerstands, aber
auch auf die Änderung des elektrischen Widerstands aufgrund
einer Druckbeaufschlagung der sensorischen Schicht.
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Auf
eine erfindungsgemäß zu verwendende sensorische
Schicht lässt sich beispielsweise durch Aufsputtern eine
Elektrode, z. B. aus Cr, aufbringen, welche sich mittels eines Lasers
auch strukturieren lässt.
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Bei
erfindungsgemäßen Kraftsensoren liegt die Änderung
des elektrischen Widerstands im Bereich von 1 Ohm/N, bei Temperatursensoren
im Bereich von 2 Ohm/°K.
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Erwähnt
sei schließlich noch, dass sich bei einer im Wesentlichen
metallischen Flachdichtung, wie der vorstehend beschriebenen Zylinderkopfdichtung,
ein erfindungsgemäßer Dünnschichtsensor auch
auf bzw. unter einer Sicke, einem Stopper und/oder innerhalb eines
Bereichs eines Trägerblechs anbringen lässt, in
dem das letztere auf sich selbst zurückgefaltet wurde,
so wie dies bei dem Bereich 24 der vorstehend beschriebenen
Zylinderkopfdichtung der Fall ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 91/18198 [0004]
- - DE 102004051341 A [0004]
- - DE 102005022117 A [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - "Intelligente
Schichten für das Automobil von morgen", erschienen in
JOT + Oberfläche, Journal für Oberflächentechnik
45 (2005), Nr. 9, Seiten 64–67 [0007]