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Die Erfindung betrifft eine Zylinderkopfdichtung mit einer zwischen Dichtflächen von Motorbauteilen (Motorblock bzw. Kurbelgehäuse und ein oder mehrere Zylinderköpfe) einzuspannenden und mindestens im Wesentlichen metallischen Dichtungsplatte, in der wenigstens eine sich durch die Dichtungsplatte hindurch erstreckende Brennraumöffnung ausgebildet ist und die von einer oder mehreren Dichtungslagen gebildet wird, nämlich mindestens einer sogenannten Funktionslage aus einem bei Betriebstemperaturen Federstahleigenschaften aufweisenden Stahlblech sowie gegebenenfalls weiteren Dichtungslagen, wie einer Trägerlage, einer Distanzlage, einer eine Außenseite der Dichtungsplatte bildenden Glattlage oder einer sogenannten Stopperlage. Wie bei allen Zylinderkopfdichtungen ist die mindestens eine Funktionslage für die Brennraum-Abdichtung mit einer die Brennraumöffnung umschließenden Brennraum-Abdichtsicke versehen, bei einer Zylinderkopfdichtung mit mehreren Brennraumöffnungen mit einer Brennraum-Abdichtsicke für jede Brennraumöffnung.
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Derartige Zylinderkopfdichtungen weisen für die Brennraum-Abdichtsicken üblicherweise Verformungsbegrenzungsvorrichtungen, das heißt sogenannte Stopper auf; ein solcher Stopper ist meist unmittelbar neben der ihm zugeordneten Brennraum-Abdichtsicke angeordnet, und zwar von der Brennraumöffnung aus gesehen vor und/oder hinter der Brennraum-Abdichtsicke, und der Stopper dient dem Zweck, beim Einbau der Zylinderkopfdichtung und im Motorbetrieb eine übermäßige Abflachung der Abdichtsicke zu verhindern, da eine zu große Abflachung bzw. zu große, im Motorbetrieb auftretende zeitliche Änderungen der Sickenhöhe die Dauerhaltbarkeit einer solchen metallischen Abdichtsicke beeinträchtigt.
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Bei bekannten Zylinderkopfdichtungen sind im Hinterland vorgesehene Abstützvorrichtungen von gleicher Natur wie Stopper für Brennraum-Abdichtsicken, nämlich zumindest nahezu druckfest, das heißt starr, und sie werden insbesondere gebildet von streifenförmigen Auflagen auf einer Dichtungslage oder von Erhebungen bildenden Prägungen einer Dichtungslage.
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Die von der vorliegenden Erfindung betroffenen Zylinderkopfdichtungen weisen im sogenannten Hinterland senkrecht zur Dichtungsplattenebene wirksame Abstützvorrichtungen auf, welche bei eingebauter, das heißt eingespannter Zylinderkopfdichtung mit Druck beaufschlagt sind – unter dem Hinterland einer Zylinderkopfdichtung versteht man diejenigen Bereiche der Dichtungsplatte, welche nicht an der Gasabdichtung um die Brennraumöffnung bzw. -öffnungen herum mitwirken, das heißt von einer Brennraumöffnung aus gesehen hinter der Letzterer zugeordneten Brennraum-Abdichtsicke und dem dem Sickenschutz dienenden Stopper liegen (bei einer Zylinderkopfdichtung mit mehreren Brennraumöffnungen gilt dies für diejenigen Dichtungsbereiche, welche außerhalb der Brennraum-Abdichtsicken und der diesen zugeordneten Stoppern aller Brennraumöffnungen sowie außerhalb der schmalen Dichtungsplattenstege zwischen einander benachbarten Brennraumöffnungen liegen). Die im Hinterland von Zylinderkopfdichtungen liegenden Abstützelemente können als Stopper für Fluid-Dichtelemente, insbesondere also metallische Abdichtsicken dienen, welche für eine oder mehrere Fluid-Durchgangsöffnungen (beispielsweise für Kühlwasser und Motoröl) der Zylinderkopfdichtung vorgesehen sind; mit im Hinterland liegenden Abstützvorrichtungen können aber auch Verzüge des Zylinderkopfs minimiert werden, welche beispielsweise dadurch hervorgerufen werden, dass die auf eine eingebaute Zylinderkopfdichtung einwirkenden Einspannkräfte nur lokal, nämlich durch die Zylinderkopfschrauben, in das aus Motorblock, Zylinderkopfdichtung und Zylinderkopf bestehende Abdichtsystem eingeleitet werden und die Motorbauteile, vor allem der Zylinderkopf, nicht als absolut starre Bauteile betrachtet werden können. Durch entsprechend angeordnete Hinterland-Abstützvorrichtungen der Zylinderkopfdichtung kann der Zylinderkopf also gerade dort abgestützt werden, wo er sonst die größten Verzüge aufweisen würde.
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Für das Verständnis der vorliegenden Erfindung ist es hilfreich, sich Folgendes vor Augen zu halten:
Der durch die Zylinderkopfdichtung abzudichtende sogenannte Dichtspalt zwischen Motorblock und Zylinderkopf weist schon bei kaltem Motor nicht überall dieselbe Höhe bzw. Weite auf, weil die auf die Zylinderkopfdichtung einwirkenden Einspannkräfte durch die Zylinderkopfschrauben mehr oder minder punktuell in das Abdichtsystem eingeleitet werden und deshalb vor allem der Zylinderkopf Verzüge aufweist. Hinzu kommt, dass im Motorbetrieb die Brennraumnahen Bereiche der Motorbauteile, vor allem des Motorblocks, sehr viel stärker erhitzt werden als Brennraum-ferne Bereiche, welche vor allem durch Kühlwasser, aber auch durch Motoröl verhältnismäßig gut gekühlt werden. Dies hat zur Folge, dass sich bei Inbetriebnahme des Motors und insbesondere bei Steigerung der vom Motor abgegebenen Leistung bis zur sogenannten Volllast die Brennraum-nahen Bereiche vor allem des Motorblocks in axialer Richtung (in Richtung der Zylinderachsen) sehr viel stärker ausdehnen als Brennraumferne Bereiche. In diesem Zusammenhang ist auch zu beachten, dass mit dem von Motorblock, Zylinderkopf und Zylinderkopfdichtung gebildeten Abdichtsystem um die Brennräume herum gegen die höchsten Mediendrücke abgedichtet werden muss, nämlich gegen die Gasdrücke der Verbrennungsgase, weshalb eine Zylinderkopfdichtung in der Regel konstruktiv so ausgelegt wird, dass sie um ihre Brennraumöffnungen herum zwischen Motorblock und Zylinderkopf auf Block gepresst und dort durch die höchsten Druckkräfte eingespannt wird.
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Schließlich wird eine Zylinderkopfdichtung im Motorbetrieb auch dynamisch beansprucht, da der Zylinderkopf im Takt der Zündungen der Motorzylinder durch die hohen Gasdrücke (bereichsweise unterschiedlich) angehoben und dadurch der Dichtspalt außer unmittelbar um die Brennraumöffnungen herum (gleichfalls bereichsweise unterschiedlich) erweitert wird.
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Wenn sich nun im Motorbetrieb die Brennraum-nahen Bereiche des Motorblocks in axialer Richtung stärker ausdehnen als die Brennraum-fernen Bereiche, werden die auf Block gepressten und damit spaltlosen und somit druckfesten Bereiche der Zylinderkopfdichtung, welche unmittelbar an deren Brennraumöffnungen angrenzen, sehr viel stärker angehoben als Hinterlandbereiche der Zylinderkopfdichtung, was zur Folge hat, dass die Brennraumnahen Bereiche des Zylinderkopfs, welcher nicht als starres Bauteil betrachtet werden kann, gleichfalls sehr viel stärker angehoben werden als die Brennraum-fernen Bereiche des Zylinderkopfs, wobei in diesem Zusammenhang zu beachten ist, dass es sich auch bei den Zylinderkopfschrauben nicht um absolut starre Teile handelt. Infolgedessen weisen bei heißem Motor die Brennraum-nahen Bereiche des durch die Zylinderkopfdichtung abzudichtenden Dichtspalts dieselbe Höhe bzw. Weite wie im kalten Motor auf, während durch die Erhitzung des Motors die Dichtspaltweite in Brennraum-fernen Bereichen vergrößert wird. Aus den folgenden Gründen ist dieser Effekt bei modernen Hochleistungsmotoren besonders groß: Bei diesen Motoren ist das Temperaturgefälle zwischen Brennraum-nahen und Brennraum-fernen Bereichen besonders groß, und außerdem werden bei diesen Motoren Leichtmetalllegierungen nicht nur für den Zylinderkopf, sondern meist auch für den Motorblock verwendet, und Leichtmetalllegierungen haben deutlich größere Temperaturausdehnungskoeffizienten als beispielsweise ein bei älteren Motoren für den Motorblock verwendeter Grauguss.
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Bei den bekannten metallischen Zylinderkopfdichtungen mit im Hinterland vorgesehenen starren Abstützvorrichtungen (worunter auch Stopper für im Hinterland vorgesehene Abdichtsicken zu verstehen sind) kann deren wirksame Höhe nur für einen Betriebszustand des Motors optimiert werden, das heißt entweder für den kalten oder für den heißen Motor, was folgende Nachteile mit sich bringt: Der Abstützeffekt einer Hinterland-Abstützvorrichtung ist bei kalten Motor ein deutlich anderer als bei heißem Motor, und im Hinterland, das heißt in den Brennraum-fernen Bereichen ist die im Takt der Zündung der Motorzylinder erfolgende Dynamik der Änderung der Dichtspaltweite bei heißem Motor in den meisten Motoren und/oder in den meisten Hinterlandbereichen weitaus größer als bei kaltem Motor. Weist die Zylinderkopfdichtung, wie dies fast immer der Fall ist, im Hinterland Fluid-Durchgangsöffnungen (für Kühlwasser und Motoröl) und Letztere abdichtende, bei eingebauter Zylinderkopfdichtung gepresste Fluid-Dichtelemente auf, werden Letztere bei heißem Motor unter Umständen nicht mehr hinreichend stark gepresst, um ihre Abdichtfunktion erfüllen zu können, vor allem aber wird das Arbeitsspiel, das heißt die Größe der zeitlichen Veränderung der Höhe dieser Fluid-Dichtelemente im Zuge der Erhitzung des Motors stark erhöht, was sich auf die Dauerhaltbarkeit dieser Dichtelemente negativ auswirkt – dies gilt vor allem für Fluid-Dichtelemente in Form von in eine metallische Dichtungslage eingeprägten Abdichtsicken, die bei einem zu großen Arbeitsspiel zu Rissbildungen in der betreffenden Dichtungslage neigen, welche ein Versagen der Abdichtsicken zur Folge haben.
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Um diesen nachteiligen Effekten entgegen zu wirken, hat man bei bekannten Zylinderkopfdichtungen deren Brennraum-Abdichtsystem (Brennraum-Abdichtsicke mit dieser zugeordnetem, stets starren Stopper) teilweise konstruktiv suboptimal ausgelegt, um für den Betriebszustand ”heißer Motor” noch gewisse Reserven hinsichtlich des Abdichtvermögens der Hinterlandbereiche der Zylinderkopfdichtung zu haben; diese Vorgehensweise ist jedoch wenig zufriedenstellend.
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Ausgehend von einer Zylinderkopfdichtung der eingangs erwähnten Art mit wenigstens einer im Hinterland vorgesehenen Abstützvorrichtung lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine solche Zylinderkopfdichtung so zu gestalten, dass sich mit ihr mindestens ein Teil derjenigen Probleme zumindest minimieren lässt, welche durch die im Motorbetrieb auftretenden axialen Wärmedehnungen der Motorbauteile Motorblock und Zylinderkopf, vor allem des Motorblocks, verursacht werden, und zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine im Hinterland der Zylinderkopfdichtung vorgesehene Abstützvorrichtung mit mindestens einem metallischen Abstützelement mit derartigen Materialeigenschaften zu versehen, dass seine senkrecht zur Dichtungsplattenebene gemessene, für eine Abstützung wirksame Höhe aufgrund einer durch eine Temperaturänderung bewirkten Gestaltänderung des Abstützelements temperaturabhängig und reversibel zwischen einer sich bei heißem Motor einstellenden ersten, größeren und einer sich bei kaltem Motor einstellenden zweiten, kleineren Höhe veränderbar ist.
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Grundgedanke der Erfindung ist es also, im Hinterland einer Zylinderkopfdichtung anstelle einer zumindest im Wesentlichen druckfesten, das heißt starren Abstützvorrichtung eine adaptive Abstützvorrichtung vorzusehen, deren Abstützelement aufgrund einer Gestaltänderung im heißen Motor eine größere wirksame Höhe als bei kaltem Motor aufweist. Dabei ist die Definition der vorliegenden Erfindung so zu verstehen, dass die temperaturabhängige Änderung der wirksamen Höhe des metallischen Abstützelements nicht mit der aufgrund des Temperaturausdehnungskoeffizienten eines homogenen metallischen Abstützelements eintretenden Änderung seiner wirksamen Höhe gleichgesetzt werden darf, sondern aufgrund einer Änderung der Gestalt (nicht nur der Abmessungen) des Abstützelements größer und vorzugsweise um ein Mehrfaches größer ist als die durch den Temperaturausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs verursachte Änderung der wirksamen Höhe des Abstützelements.
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Außerdem sei vorsorglich noch bemerkt, dass unter der wirksamen Höhe des Abstützelements diejenige Abstützelement-Höhe zu verstehen ist, welche für den Abstützeffekt verantwortlich und für dessen Ausmaß bestimmend ist.
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Da ein erfindungsgemäßes Abstützelement bei heißem Motor eine größere wirksame Höhe aufweist aus bei kaltem Motor, lassen sich durch die Erfindung die sonst im heißen Motor auftretenden großen Amplituden der Höhenänderungen von im Hinterland der Zylinderkopfdichtung liegenden Dichtelementen deutlich reduzieren, wodurch deren Dauerhaltbarkeit erhöht und sichergestellt wird, dass diese Dichtelemente ihre Abdichtfunktion in jeder Phase des Motorbetriebs zuverlässig erfüllen können. Zusätzlich oder alternativ kann mit entsprechend angeordneten erfindungsgemäßen Abstützelementen der Zylinderkopf so abgestützt werden, dass sich Verzüge des Zylinderkopfs in jeder Phase des Motorbetriebs minimieren lassen; dies setzt erfindungsgemäße Abstützelemente mit hinreichender Steifigkeit voraus, worauf im Folgenden noch eingegangen wird.
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Die Erfindung bringt außerdem den Vorteil mit sich, dass bei der konstruktiven Auslegung von Brennraum-Abdichtsystemen mit Abdichtsicken und diesen zugeordneten Stoppern keine Rücksicht auf das Hinterland der Zylinderkopfdichtung genommen werden muss und infolgedessen bei dieser Auslegung keine Kompromisse in Kauf genommen werden müssen.
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Auch können erfindungsgemäße Abstützelemente mit denselben Werkzeugen wie herkömmliche Stopper bzw. Abstützelemente produziert und in herkömmlicher Weise angebracht werden, so dass für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung keine neuen Produktionseinrichtungen oder zusätzliche Produktionsschritte erforderlich sind.
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Dient ein erfindungsgemäßes Abstützelement dem Schutz eines im Hinterland der Zylinderkopfdichtung vorgesehenen Dichtelements für eine dort vorhandene Fluid-Durchgangsöffnung vor unerwünscht hohen Verformungen, kann es bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung mit einem Höhenprofil versehen werden, wie dies bei herkömmlichen Stoppern bekannt ist – in diesem Fall weist das erfindungsgemäße Abstützelement eine um die abzudichtende Fluid-Durchgangsöffnung herum variierende wirksame Höhe auf. Besitzt die um eine abzudichtende Öffnung herum vorgesehene Abstützvorrichtung mehrere erfindungsgemäße Abstützelemente, welche in Umfangsrichtung der Öffnung hintereinander angeordnet sind, kann das Höhenprofil der Abstützvorrichtung auch von mehreren Abstützelementen gebildet werden.
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Ferner ermöglicht es die Erfindung, im Hinterland der Zylinderkopfdichtung die auf diese einwirkenden Einspannkräfte gezielt und damit optimal auf das Hinterland zu verteilen.
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Schließlich lässt sich mit der Erfindung bei manchen Dichtungsdesigns noch ein weiterer Vorteil erreichen: Bei einigen Motoren benötigte die Zylinderkopfdichtung für ein überall gutes Abdichtvermögen im Hinterland bislang mehr Funktionslagen als in den die Brennraumöffnungen unmittelbar umgebenden Bereichen; bei Verwendung erfindungsgemäßer Abstützelemente können diese sich nicht über den gesamten Dichtspalt erstreckenden zusätzlichen Funktionslagen entfallen, was erhebliche Kosteneinsparungen mit sich bringt.
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Im wichtigsten Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung weist die Dichtungsplatte im Hinterland mindestens eine Fluid-Durchgangsöffnung und mindestens ein die Letztere umschließendes und vorzugsweise als in eine Funktionslage eingeprägte Sicke gestaltetes Fluid-Dichtelement auf, dem als Verformungsbegrenzungsvorrichtung eine erfindungsgemäße Abstützvorrichtung zugeordnet ist, deren Drucksteifigkeit infolgedessen größer als diejenige des Fluid-Dichtelements ist. Für solche Zylinderkopfdichtungen werden Abstützvorrichtungen bevorzugt, welche in einer Draufsicht auf die Dichtungsplatte eine oder mehrere Fluid-Durchgangsöffnungen insbesondere lückenlos umschließen.
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Vor allem dann, wenn eine erfindungsgemäße Abstützvorrichtung der Reduzierung der Höhenveränderungen eines im Hinterland der Dichtung vorgesehenen Dichtelements im Motorbetrieb (bei heißem Motor) dient, wird empfohlen, als Abstützelement ein Bimetall-Element zu verwenden, dessen für die Abstützung wirksame Höhe mit zunehmender Temperatur zunimmt, um dadurch dem vorstehend beschriebenen negativen Effekt axialer Wärmedehnungen Brennraum-naher Bereiche vor allem des Motorblocks entgegen zu wirken. Hierfür verwendbare Bimetalle sind auf dem Markt in unterschiedlichen Kombinationen von Metallen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten kostengünstig verfügbar. Vorsorglich sei in diesem Zusammenhang noch erwähnt, dass ein solches Bimetall-Element entgegen seiner Bezeichnung nicht nur aus zwei Lagen von Metallen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen muss, sondern beispielsweise auch aus drei Metalllagen mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten bestehen kann. Alle diese üblicherweise streifen- oder bandförmigen Bimetalle haben die Eigenschaft, dass sie bei einer Temperaturänderung eine gekrümmte Form erhalten, deren Krümmung sich mit zunehmender Temperaturänderung stetig und gleichsinnig ändert.
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Erfindungsgemäß können an die Stelle von Bimetallen aber auch sogenannte Formgedächtnislegierungen (FGL) treten, welche oft auch als Memory-Metalle und im Englischen als SHAPE MEMORY ALLOYS (SMA) bezeichnet werden. Es handelt sich dabei um auf dem Markt verfügbare spezielle Metalllegierungen, die in zwei unterschiedlichen und jeweils bei einer anderen Temperatur stabilen Kristallstrukturen existieren können und deren Bezeichnung von dem Phänomen herrührt, dass sie sich an eine frühere Formgebung trotz nachfolgender starker Verformung scheinbar ”erinnern” können. Während die meisten Metalle bis zu ihrer Schmelztemperatur immer dieselbe Kristall- oder Gitterstruktur besitzen, haben Formgedächtnislegierungen, abhängig von der Temperatur, zwei unterschiedliche Strukturen, und ihre Formveränderung basiert auf einer temperaturabhängigen Gitterumwandlung von der einen in die andere dieser beiden Kristallstrukturen. Die Strukturumwandlung und damit die Formänderung einer Formgedächtnislegierung ist unabhängig von der Geschwindigkeit der Temperaturänderung. Charakteristisch für ein Teil aus einer Formgedächtnislegierung ist das Folgende: Bringt man das Teil bei einer höheren Temperatur in eine erste Form, kühlt es dann ab und bringt es sodann durch Biegen in eine andere, zweite Form, kehrt es auch ohne Einwirkung äußerer Kräfte in seine erste Form zurück, wenn man das Teil wieder auf die höhere Temperatur erhitzt, das heißt das Teil verhält sich so, als ob es ein Erinnerungsvermögen an seine ursprüngliche, bei höherer Temperatur vorgelegene Gestalt hätte. Dieser Effekt beruht auf einem Wechsel der Kristallstruktur beim Abkühlen, wobei dieser Strukturwechsel bei einer für die jeweilige Legierung spezifischen Temperatur erfolgt. Eine Formgedächtnislegierung und ein hieraus hergestelltes Teil lassen sich in bekannter Weise so gestalten, dass bei der Erhitzung des in der vorstehend erwähnten zweiten Form vorliegenden Teils das Teil beim Übergang von der zweiten in die vorgenannte erste Form durch die Gitterumwandlung außerordentlich hohe Kräfte entwickelt, welche im Falle einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung durchaus auch dafür ausreichen, durch die Hinterlandbereiche der Zylinderkopfdichtung die darüber liegenden Bereiche des Zylinderkopfs so abzustützen, dass dadurch Verzüge des Zylinderkopfs minimiert werden, wie sie sonst ohne eine solche Abstützung beim Übergang des Motors vom kalten in den heißen Zustand auftreten.
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Eine entsprechende erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung zeichnet sich also dadurch aus, dass das erfindungsgemäße Abstützelement ein Memorymetall-Element ist, dessen bei heißem Motor vorliegende Form eine maximale wirksame Höhe des Abstützelements bereitstellt.
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Um ein erfindungsgemäßes Abstützelement einfach herstellen und dann an einer Dichtungslage in einfacher Weise anbringen zu können, empfiehlt es sich, das Abstützelement so zu gestalten, dass es einen an einer Dichtungslage zu befestigenden bzw. befestigten Basisbereich und wenigstens einen Abstützbereich aufweist, welcher durch Temperaturänderung des Abstützelements relativ zum Basisbereich zwischen der vorstehend erwähnten zweiten und der vorstehend erwähnten ersten Höhe bewegbar ist. Bei eingebauter Zylinderkopfdichtung kann das Abstützelement dann mit diesem Abstützbereich gegen eine andere Dichtungslage oder gegen ein Motorbauteil anliegen, beispielsweise gegen den Zylinderkopf. Es kann aber auch vorteilhaft sein, eine erfindungsgemäßes Abstützelement so zu gestalten, dass es in einer Draufsicht auf die Dichtungsplatte zu beiden Seiten seines Basisbereichs einen Abstützbereich aufweist; bei solchen Ausführungsformen kann das Abstützelement auch so gestaltet werden, dass seine für die Abstützung wirksame Höhe bei heißem Motor auf den beiden Seiten des Basisbereichs unterschiedlich groß ist.
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Für ein erfindungsgemäß als Bimetall-Element gestaltetes Abstützelement wird insbesondere eine Kombination aus den Metallen Eisen und Nickel empfohlen, auch im Hinblick auf die Betriebstemperaturen einer Zylinderkopfdichtung.
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Wird für ein erfindungsgemäßes Abstützelement ein Memorymetall verwendet, empfiehlt sich insbesondere eine der folgenden Legierungen: CuZn, CuZnAl, CuAlNi, FeNiAl und FeMnSi – alle diese Memorymetalle sind auf dem Markt verfügbar.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten bevorzugter Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und/oder aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen; in diesen zeigen:
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1: eine etwas vereinfachte Draufsicht auf eine mehrlagige metallische Zylinderkopfdichtung;
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2: einen stark vereinfachten Schnitt durch einen Bereich eines Hubkolben-Verbrennungsmotors, und zwar durch einen einen Brennraum des Motorblocks umfassenden Motorbereichs, zu dem auch Bereiche einer herkömmlichen Zylinderkopfdichtung und eines Zylinderkopfs gehören;
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3A bis 3C: dem in 2 dargestellten Bereich einer herkömmlichen Zylinderkopfdichtung entsprechende Bereiche dreier Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung, und
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4: ein Diagramm zur Erläuterung eines durch die erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung herbeigeführten Effekts.
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Die in 1 dargestellte, für einen Vierzylinder-Reihenmotor konzipierte Zylinderkopfdichtung hat eine als Ganzes mit 10 bezeichnete Dichtungsplatte, welche zumindest im Wesentlichen von einer oder mehreren übereinander angeordneten und sich jeweils zumindest im Wesentlichen über die ganze Dichtungsplatte 10 erstreckenden Dichtungslagen gebildet wird. Bei der einen Dichtungslage oder zumindest bei einer der mehreren Dichtungslagen handelt es sich um eine sogenannte Funktionslage aus einem Federstahlblech, welches auch bei den Betriebstemperaturen der Zylinderkopfdichtung federelastische Eigenschaften aufweist und das durch Prägen mit den üblichen Abdichtsicken versehen wurde. Bei einer oder mehreren weiteren Dichtungslagen kann es sich um eine oder mehrere weitere Funktionslagen oder andere Dichtungslagen wie eine sogenannte Trägerlage, eine sogenannte Stopperlage etc. handeln. Die Dichtungsplatte 10 hat eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen, gebildet von in den Dichtungslagen erzeugten, übereinander angeordneten Öffnungen entsprechender Gestalt; bei der Zylinderkopfdichtung gemäß 1 handelt es sich bei diesen Durchgangsöffnungen um vier den Motorzylindern zugeordnete Brennraumöffnungen 12, 14, 16 und 18, um Fluid-Durchgangsöffnungen 20 unterschiedlicher Form für den Durchtritt von Kühlwasser und Motoröl, sowie um Schraubenlöcher 22 für den Durchtritt von Zylinderkopfschrauben.
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Für jede der Brennraumöffnungen 12 bis 18 ist mindestens eine Funktionslage mit einer Brennraum-Abdichtsicke 24 versehen, welche die betreffende Brennraumöffnung in sich geschlossen umgibt, wobei die Brennraum-Abdichtsicken einander benachbarter Brennraumöffnungen in zwischen diesen vorhandenen schmalen Stegbereichen der Dichtungsplatte 10 ineinander übergehen können, so wie dies die 1 erkennen lässt. In bekannter Weise sind den Brennraum-Abdichtsicken 24 Stopper zugeordnet, welche in gleichfalls bekannter Weise zwischen jeder der Brennraumöffnungen 12 bis 18 und den Brennraum-Abdichtsicken 24 und/oder hinter den Brennraum-Abdichtsicken 24 (von der jeweiligen Brennraumöffnung aus gesehen) angeordnet sein können – auf solche Stopper wird nachfolgend noch eingegangen werden.
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Bei eingebauter Zylinderkopfdichtung muss diese auch um die Fluid-Durchgangsöffnungen 20 herum abdichten, was durch in eine oder mehrere Funktionslagen eingeprägte Abdichtsicken erfolgt, welche Fluid-Durchgangsöffnungen 20 entweder einzeln oder gruppenweise umschließen. So zeigt die 1 eine periphere, das heißt nahe dem Umfangsrand der Dichtungsplatte 10 verlaufende, in sich geschlossene, das heißt endlose Abdichtsicke 26, innerhalb welcher (in einer Draufsicht auf die Dichtungsplatte) sämtliche Fluid-Durchgangsöffnungen 20 liegen, Abdichtsicken 28 für jeweils eine Fluid-Durchgangsöffnung 20 und Abdichtsicken 30, innerhalb welcher sowohl eine Fluid-Durchgangsöffnung 20 als auch ein Schraubenloch 22 liegt. Weitere Abdichtsicken 32 umschließen jeweils nur ein Schraubenloch 22.
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Während bei eingebauter Zylinderkopfdichtung im Motorbetrieb die Brennraum-Abdichtsicken 24 samt ihren Stoppern in heißen Bereichen der Dichtungsplatte 10 liegen, in welchen Temperaturen von beispielsweise ca. 250°C vorherrschen, liegen alle anderen Abdichtsicken in demgegenüber verhältnismäßig kühlen Bereichen mit Betriebstemperaturen von beispielsweise ca. 80 bis ca. 120°C, beim Starten des kalten Motors jedoch auf gegebenenfalls im Minusbereich liegender Umgebungstemperatur, und nach der vorstehenden Definition des Begriffs ”Hinterland” umfasst dieses bei der in 1 gezeigten Zylinderkopfdichtung alle diejenigen Bereiche der Dichtungsplatte 10, welche – von den Zentren der Brennraumöffnungen 12 bis 18 ausgesehen – hinter den Brennraum-Abdichtsicken 24 liegen und sich bis zum Außenumfangsrand der Dichtungsplatte 10, mindestens aber bis zur peripheren Abdichtsicke 26 erstrecken.
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Damit die vorliegende Erfindung und deren Grundlagen besser verstanden werden können, ist die in 2 gezeigte Schnittdarstellung nicht maßstabsgerecht und gibt auch nicht die Verhältnisse der Abmessungen der in 2 gezeigten Teile und der Abstände dieser Teile voneinander richtig wieder.
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Die 2 zeigt einen Teil eines Motorblocks 36, einen Teil eines Zylinderkopfs 38 sowie einen Bereich einer zwischen Motorblock und Zylinderkopf angeordneten Dichtungsplatte 10 einer herkömmlichen Zylinderkopfdichtung, von welcher der Einfachheit halber nur zwei Dichtungslagen dargestellt wurden, nämlich eine obere und eine untere Funktionslage 40 bzw. 42. Zwischen dem Motorblock 36 und dem Zylinderkopf 38 befindet sich ein sogenannter Dichtspalt 44, welcher durch die Zylinderkopfdichtung abgedichtet werden muss – in 2 wurde die Dichtspaltweite bzw. -höhe übertrieben groß dargestellt, außerdem zeigt die 2 die beiden Funktionslagen 40 und 42 entgegen der Realität mit geringen Abständen voneinander sowie von den beiden Motorbauteilen, nämlich dem Motorblock 36 und dem Zylinderkopf 38, denn im Motor liegen nach dem Anziehen der in 2 nicht dargestellten Zylinderkopfschrauben die beiden Funktionslagen 40 und 42 gegeneinander an und liegt die obere Funktionslage 40 gegen den Zylinderkopf 38 und die untere Funktionslage 42 gegen den Motorblock 36 an.
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Für das Folgende wird angenommen, dass die 2 einen stark schematisierten Schnitt durch den Motor entsprechend der Linie 2-2 in 1 darstellt.
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In 2 wurde ein im Motorblock 36 ausgebildeter Brennraum mit 46 bezeichnet, wobei der Einfachheit halber nur der im Motorblock 36 liegende Teil dieses Brennraums dargestellt und dessen Brennraumachse mit 46a bezeichnet wurde. Über dem Brennraum 46 weist die Dichtungsplatte 10 die in 1 erkennbare Brennraumöffnung 14 auf.
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Um die Brennraumöffnung 14 herum besitzt jede der Funktionslagen 40 und 42 eine Brennraum-Abdichtsicke 24, welche die Brennraumöffnung 14 kreisförmig umschließt, und bei der dargestellten Ausführungsform liegen bei eingebauter und gepresster Zylinderkopfdichtung die beiden Brennraum-Abdichtsicken 24 mit ihren Kuppen abdichtend gegeneinander an, während die beiden die Brennraumöffnung 14 gleichfalls kreisförmig umschließenden sogenannten Sickenfüße der beiden Brennraum-Abdichtsicken 24 gegen den Motorblock 36 bzw. den Zylinderkopf 38 abdichtend anliegen.
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Das Hinterland der in 2 gezeigten Zylinderkopfdichtung liegt also von der Brennraumachse 46a aus gesehen hinter den Abdichtsicken 24, das heißt im rechten Teil der 2 rechts und im linken Teil der 2 links von den Brennraum-Abdichtsicken 24.
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Ferner zeigt die 2, dass jede der beiden Funktionslagen 40 und 42 im Bereich des Außenumfangsrands der Dichtungsplatte 10 mit einer in 1 erkennbaren Abdichtsicke 26 versehen ist, welche bei der Ausführungsform gemäß 2 die Gestalt einer sogenannten Halbsicke hat, wobei die Halbsicken der beiden Funktionslagen aufeinander zu vorspringen.
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Schließlich zeigt die 2 einen sogenannten Brennraumstopper 50, welcher die Brennraumöffnung 14 kreisringförmig umschließt und bei der dargestellten Ausführungsform (in einer Draufsicht auf die Dichtungsplatte 10) zwischen der Brennraumöffnung 14 und den Brennraum-Abdichtsicken 24 angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform soll es sich bei dem Brennraumstopper 50 um einen Blechring handeln, welcher auf der unteren Funktionslage 42 beispielsweise durch Schweißen befestigt und in seiner Höhe so bemessen ist, dass er bei eingebauter und zwischen dem Motorblock 36 und dem Zylinderkopf 38 eingespannter Dichtungsplatte 10 sowohl bei der Montage der Zylinderkopfdichtung als auch im Motorbetrieb zwar eine gewisse Abflachung der Brennraum-Abdichtsicken 24 zulässt, eine übermäßige und schädliche Abflachung der Brennraum-Abdichtsicken jedoch verhindert.
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Nachdem im Zuge der Motormontage die Zylinderkopfschrauben vorschriftsmäßig angezogen wurden, so dass die Dichtungsplatte 10 zwischen dem Motorblock 36 und dem Zylinderkopf 38 eingespannt wurde, ist der Brennraum-nahe Bereich der Dichtungsplatte 10, das heißt der der Brennraumöffnung 14 unmittelbar benachbarte Dichtungsplattenbereich zwischen dem Motorblock 36 und dem Zylinderkopf 38 auf Block gepresst, so dass der kreisringförmige Bereich der oberen Funktionslage 40 zwischen deren Brennraum-Abdichtsicke 24 und der Brennraumöffnung 14 gegen den Brennraumstopper 50 angepresst ist.
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Bei kaltem Motor ist die obere Stirnfläche des Motorblocks 36 zumindest im Wesentlichen eben. Im Motorbetrieb, vor allem bei hoher Motorleistung ist ein dem Brennraum 46 unmittelbar benachbarter kreiszylindrischer Bereich des Motorblocks 36 jedoch markant heißer als Brennraum-fernere Motorblockbereiche und unterliegt einer deutlich größeren axialen Wärmedehnung (in Richtung der Brennraumachse 46a) als Brennraum-fernere Bereiche des Motorblocks 36. Infolgedessen ergibt sich bei heißem Motor um den Brennraum 46 herum ein Profil der oberen Stirnfläche des Motorblocks 36, welches in 2 gestrichelt dargestellt wurde. Um den Brennraum 46 herum bildet die obere Stirnfläche des Motorblocks 36 also eine Erhebung 54, welche sich von der Wand des Brennraums 46 radial nach außen erstreckt (bezüglich der Brennraumachse 46a), und zwar äußerstenfalls bis in den Bereich der Brennraum-Abdichtsicken 24, da üblicherweise die von der Brennraumachse 46a aus gesehen hinter den Brennraum-Abdichtsicken 24 liegenden Motorbereiche im Motorbetrieb verhältnismäßig gut gekühlt werden, wie sich dies auch aus 1 ergibt, nämlich wegen der Fluid-Durchgangsöffnungen 20 sowie deren Positionen relativ zu den Brennraumöffnungen 12 bis 18. Bei einem Mehrzylinder-Motor gilt dies natürlich für alle Zylinder bzw. Brennräume.
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Durch die Erhebung 54 wird der die Brennraumöffnung 14 umgebende kreisringförmige und auf Block gepresste Bereich der Dichtungsplatte 10 im Vergleich zu seiner Lage im kalten Motor angehoben, und da dieser Dichtungsplattenbereich auf Block gepresst und deshalb starr ist, wird durch die Erhebung 54 der Zylinderkopf 38 und damit dessen untere Stirnfläche angehoben. Dadurch ändert sich die Weite bzw. Höhe des Dichtspalts 44 im Vergleich zur Dichtspaltweite des kalten Motors zwar nicht im Bereich des Brennraum-Stoppers 50, wohl aber in bezüglich der Brennraumachse 46a radial außerhalb der Erhebung 54 liegenden Dichtspaltbereichen, welche im heißen Motor wegen der beschriebenen Anhebung des Zylinderkopfs 38 eine deutlich größere Dichtspalthöhe aufweisen als im kalten Motor.
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Dies hat zur Folge, dass in bekannten Motoren die Zylinderkopfdichtung im Hinterland bei heißem Motor dynamisch weitaus stärker beansprucht wird als bei kalten Motor, was insbesondere für im Hinterland liegende Abdichtsicken, wie die Abdichtsicken 26 gilt. Die mit dieser stärkeren dynamischen Beanspruchung einhergehenden Risiken für die Dauerhaltbarkeit der Zylinderkopfdichtung wurden bereits oben beschrieben.
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In 2 wurden noch die folgenden, aufgrund der vorstehenden Beschreibung verständlichen Angaben eingetragen, bei denen es sich nur um qualitative Angaben handelt.
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In 2 wurde mit einer gestrichelten Linie 58 die Lage der unteren Stirnfläche des Zylinderkopfs 38 bei heißem Motor angedeutet, so dass der Abstand A die Weite des Dichtspalts 44 im Hinterland bei heißem Motor und der Abstand B die Weite des Dichtspalts im Hinterland bei kaltem Motor bezeichnen soll.
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Da der dem Brennraum 46 unmittelbar benachbarte, das heißt der an die Brennraumöffnung 14 angrenzende, durch die radiale Breite des Brennraumstoppers 50 definierte Ringbereich der Dichtungsplatte 10 stets auf Block gepresst und deshalb starr ist, ändert sich die Dichtspaltweite in diesem Ringbereich hingegen nicht, das heißt in diesem Ringbereich ist die Dichtspaltweite bei heißem Motor dieselbe wie bei kaltem Motor.
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Vor allem um die dynamische Beanspruchung der Zylinderkopfdichtung im Hinterland bei heißem Motor zu reduzieren, und zwar insbesondere die dynamische Beanspruchung von im Hinterland liegenden Abdichtsicken der Zylinderkopfdichtung, wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, im Hinterland der Zylinderkopfdichtung mindestens eine bei eingebauter Dichtung mit Druck beaufschlagte Abstützvorrichtung vorzusehen, deren hinsichtlich der Abstützung in Richtung senkrecht zur Dichtungsplattenebene gemessene wirksame Höhe temperaturabhängig und reversibel so veränderbar ist, dass dadurch ins Gewicht fallende, durch Temperaturänderungen bedingte Änderungen der Dichtspaltweite im Hinterland der Zylinderkopfdichtung hinsichtlich deren dynamischer Beanspruchung zumindest teilweise kompensiert werden.
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Anhand der 3A bis 3C werden im Folgenden bevorzugte Ausführungsformen einer solchen erfindungsgemäßen Abstützvorrichtung erläutert.
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Die 3A bis 3C zeigen jeweils den gemäß 2 links von der Brennraumöffnung 14 liegenden Bereich der durch die Erfindung verbesserten Zylinderkopfdichtung, und in den 3A bis 3C wurden soweit möglich dieselben Bezugszeichen wie in 2 verwendet. Infolgedessen werden die 3A bis 3C im Folgenden nur insoweit beschrieben, als sich die jeweils dargestellte Zylinderkopfdichtung von derjenigen gemäß 2 unterscheidet.
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Die 3A zeigt im Hinterland der Zylinderkopfdichtung bzw. deren Dichtungsplatte 10, nämlich im Abstand von den Brennraum-Abdichtsicken 24 und von der Brennraumöffnung 14 aus gesehen hinter diesen Abdichtsicken eine erfindungsgemäße Abstützvorrichtung in Form eines Abstützelements 100, welches einen an der unteren Funktionslage 42 an einer Befestigungsstelle 100a befestigten Basisbereich 102 und einen gemäß 3A links von dieser Befestigungsstelle liegenden Abstützbereich 104 aufweist und bei dem es sich um ein Bimetall-Element handelt, dessen Materialdicke mit C bezeichnet wurde. Im kalten Zustand, das heißt bei kaltem Motor, ist das Abstützelement 100 zumindest im Wesentlichen eben, so wie dies in 3A mit durchgezogenen Linien dargestellt wurde; dann ist die abstützwirksame Höhe des Abstützelements 100 gleich der Materialdicke C.
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Die Metalle der im Abstützelement 100 miteinander kombinierten metallischen Schichten oder Lagen wurden so ausgewählt, dass sich der Abstützbereich 104, ausgehend von der Befestigungsstelle 100a, nach oben wölbt, wenn das Abstützelement 100 erhitzt wird, so dass der Abstützbereich 104 bei heißem Motor eine abstützwirksame Höhe D besitzt – wie bei Stoppern üblich wird deren Höhe bzw. Dicke als dasjenige Maß definiert, um welches der Stopper über das diesen tragende Element übersteht.
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Während der Brennraumstopper 50 (abgesehen von Dimensionsänderungen aufgrund seines Temperaturausdehnungskoeffizienten) stets dieselbe Höhe aufweist, deren Schutzwirkung für die beiden Brennraum-Abdichtsicken 24 sich bei gepresster Zylinderkopfdichtung auf beide Abdichtsicken 24 verteilt, verteilt sich zwar auch die Schutzwirkung des Abstützelement 100 auf die beiden Abstützsicken 26, jedoch ist bei heißem Motor die wirksame Höhe D des Abstützelements 100 erheblich größer als die bei kaltem Motor vorliegende wirksame Höhe C.
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Ein Bimetall-Element hat außerdem den Vorteil, dass sich seine wirksame Höhe mit zunehmender Betriebstemperatur stetig ändert, das heißt mit einem Bimetall-Element lässt sich die temperaturabhängige Dichtspaltweite im Hinterland bei jeder Betriebstemperatur zumindest erheblich kompensieren.
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In einer Draufsicht kann das Abstützelement 100 grundsätzlich jede beliebige Gestalt besitzen, beispielsweise die Gestalt eines Rechtecks, wobei dann eine erfindungsgemäße Abstützvorrichtung meist von mehreren solchen Abstützelementen 100 gebildet werden wird; das Abstützelement 100 kann aber auch eine im Wesentlichen kreisbogenförmige und dem Verlauf einer durch das Abstützelement zu schützenden Abdichtsicke folgende Form haben – wenn das Abstützelement 100 dem Schutz eines im Hinterland liegenden Fluid-Dichtelements dient, ist es vorzugsweise so gestaltet, dass es in einer Draufsicht auf die Dichtungsplatte die durch das Fluid-Dichtelement abzudichtende Fluid-Durchgangsöffnung umschließt.
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In den 3B und 3C wurden dieselben Bezugszeichen verwendet wie in 3A, bei 3B jedoch ergänzt um einen Strich und bei 3C ergänzt durch zwei Striche.
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Bei der Ausführungsform gemäß 3B hat das Abstützelement 100' zu beiden Seiten der Befestigungsstelle 100a' jeweils einen Abstützbereich 104a' bzw. 104b', welche zu beiden Seiten der Befestigungsstelle 100a' dieselbe Breite haben und deren wirksame Abstützhöhe sich infolge dessen bei Temperaturänderungen in gleichem Maß ändert.
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Hingegen ist bei der Ausführungsform gemäß 3C die Breite des Abstützbereichs 104a'' größer als diejenige des Abstützbereichs 104b'', so dass sich bei Temperaturänderungen die wirksame Höhe des Abstützbereichs 104a'' stärker ändert als diejenige des Abstützbereichs 104b''.
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Im Übrigen gilt für die Abstützelemente 100' und 100'' der Ausführungsformen gemäß den 3B und 3C dasselbe wie für das Abstützelement 100 der Ausführungsform gemäß 3A.
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Aus den 3A bis 3C wird ersichtlich, dass es das Wesen eines erfindungsgemäßen Abstützelements ist, aufgrund einer Temperaturänderung seine Gestalt zu ändern und nicht unter Beibehaltung seiner Gestalt nur seine Abmessungen.
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Die 4 zeigt für den kalten und den warmen Motor die Amplitude, das heißt die sich zeitlich ändernde Höhe und damit die dynamische Beanspruchung einer im Hinterland einer Zylinderkopfdichtung liegenden Abdichtsicke im Motorbetrieb in Abhängigkeit von der Zeit, und zwar sowohl für eine Zylinderkopfdichtung mit einer der Abdichtsicke zugeordneten herkömmlichen, das heißt starren Abstützvorrichtung (Stopper) als auch mit einer erfindungsgemäßen Abstützvorrichtung.
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Dabei zeigt die Kurve I die Amplitude der Abdichtsicke im kalten Motor, und zwar sowohl für eine bekannte starre Abstützvorrichtung als auch für eine erfindungsgemäße Abstützvorrichtung, die Kurve II die Amplitude der Abdichtsicke im heißen Motor und bei Verwendung einer bekannten, starren Abstützvorrichtung, und die Kurve III die Amplitude der Abstützvorrichtung im heißen Motor bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Abstützvorrichtung.
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Ein Vergleich der Kurven II und III lässt also erkennen, dass sich durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Abstützvorrichtung bei heißem Motor die Amplitude einer im Hinterland liegenden Abdichtsicke und damit deren dynamische Belastung deutlich reduzieren lässt im Vergleich zum Schwingungsverhalten einer im Hinterland liegenden Abdichtsicke, welcher eine herkömmliche starre Abstützvorrichtung zugeordnet ist.
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Da vorstehend davon die Rede ist, dass die der Zylinderkopfdichtung zugekehrte Stirnseite des Motorblocks bei kaltem Motor zumindest im Wesentlichen eben ist, wird vorsorglich auf Folgendes hingewiesen: Die Wand des Brennraums 46 könnte auch von einer sogenannten Zylinderlaufbuchse gebildet werden, welche in den Motorblock 36 eingesetzt ist; dabei kann die der Zylinderkopfdichtung zugekehrte Stirnseite der Laufbuchse bei kaltem Motor mit derjenigen des eigentlichen Motorblocks bündig sein oder gegenüber der Motorblock-Stirnseite einen geringen axialen Überstand aufweisen. Aber auch eine solche Zylinderlaufbuchse dehnt sich beim Heißwerden des Motors in axialer Richtung, so dass eine Zylinderlaufbuchse an den durch die vorliegende Erfindung herbeigeführten Effekten zumindest nichts Wesentliches ändert.
