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Die Erfindung betrifft eine Kühlwasserabdichtung im Ringspalt zwischen einem
Motorblock und einer Zylinderlaufbuchse eines
Hubkolben-Verbrennungsmotors.
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Bei solchen sogenannten Buchsenmotoren mit durch Kühlwasser gekühlten
Zylinderlaufbuchsen besteht die Notwendigkeit, durch eine Abdichtung dieses
Ringspalts dauerhaft zuverlässig zu verhindern, daß Kühlwasser durch den
Ringspalt hindurch in den Bereich der oberen Motorblock- oder Laufbuchsen-
Dichtfläche gelangt, auf welcher eine zwischen Motorblock bzw. Laufbuchse
und einem Zylinderkopf eingespannte Zylinderkopfdichtung aufliegt. Übliche
Zylinderlaufbuchsen haben einen Buchsenzylinder, in dem sich ein Kolben in
Richtung der Laufbuchsenachse hin und her bewegt, sowie am oberen Ende
des Buchsenzylinders einen den letzteren radial nach außen überragenden
Buchsenbund; der Motorblock hat eine axiale erste Ausnehmung (Bohrung)
zum Einsetzen des Buchsenzylinders sowie zwischen der ersten Ausnehmung
und der oberen Motorblock-Dichtfläche eine zweite, in der Draufsicht
kreisringförmige Ausnehmung größeren Durchmessers zur Aufnahme und
Abstützung des Buchsenbunds. Zur Kühlung der Laufbuchse tritt von unten
Kühlwasser in einen Ringspalt zwischen dem Buchsenzylinder und dem
Motorblock ein.
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Es sind nun schon zwei verschiedene Abdichtsysteme bekannt geworden,
durch welche verhindert werden soll, daß Kühlwasser zwischen
Zylinderlaufbuchse und Motorblock nach oben bis in den Bereich der Zylinderkopfdichtung
hindurchtreten kann:
Bei einem ersten Abdichtsystem wird zwischen einer unteren ringförmigen
Stirnfläche des Buchsenbunds und einer ringförmigen Bodenfläche der den
Buchsenbund aufnehmenden zweiten Motorblock-Ausnehmung ein
Abdichtelement in Form eines Metallrings eingelegt, welcher beim Anziehen der
Zylinderkopfschrauben zwischen dem Buchsenbund und dem Motorblock in axialer
Richtung eingespannt wird. Dieser Metallring besteht üblicherweise aus
Tombak (einer bekannten Kupfer-Zink-Legierung mit einem überwiegenden
Kupferanteil) und soll deshalb im folgenden der Einfachheit halber als
Tombakring bezeichnet werden. Dieser Tombakring ist im Motorbetrieb extrem
hohen dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt, weil im Motorbetrieb
Relativbewegungen (Schiebebewegungen) in bezüglich der Laufbuchsenachse
radialer Richtung zwischen denjenigen Flächen des Buchsenbundes und des
Motorblocks, zwischen denen der Tombakring eingespannt ist, auftreten; diese
Schiebebewegungen werden dadurch verursacht, daß die Zylinderlaufbuchse
durch die im von der Laufbuchse umschlossenen Verbrennungsraum
auftretenden hohen Drücke periodisch aufgeweitet wird, und außerdem führen die
unterschiedlichen Temperaturen von Laufbuchse und Motorblock sowie
gegebenenfalls unterschiedliche Werkstoffe dieser beiden Bauteile zu
unterschiedlichen Wärmedehnungen. Die auf diese Schiebebewegungen
zurückzuführende Beanspruchung des Tombakrings können zu einer Beschädigung
des letzteren und damit des Kühlwasser-Abdichtsystems führen.
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Bei einem zweiten bekannten Abdichtsystem ist der Außenumfang des
Buchsenzylinders mit einer Ringnut versehen, in die ein O-Ring aus
elastomerem Material eingelegt wird, welcher dann zwischen der Umfangswand der
den Buchsenzylinder aufnehmenden Motorblock-Ausnehmung und dem
Buchsenzylinder eingespannt ist. Dieses Abdichtsystem setzt also die
Herstellung der den O-Ring haltenden Ringnut voraus. Außerdem liegt der O-Ring
in nicht unbeträchtlichem axialen Abstand unterhalb des Buchsenbunds, weil
die üblichen Zylinderlaufbuchsen am Außenumfang des Buchsenzylinders im
Bereich des Übergangs des Buchsenbunds in den Buchsenzylinder mit einer
sogenannten Hohlkehle (eine Art Ringnut) versehen sind, damit am Übergang
des Buchsenbunds in den Buchsenzylinder kein Kerbeffekt auftreten kann - der
O-Ring liegt deshalb im Abstand unterhalb dieser Hohlkehle. Dieses zweite
Abdichtsystem hat deshalb den Nachteil, daß ein nicht unbeträchtlicher oberer
Bereich der Zylinderlaufbuchse nicht gekühlt werden kann.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Kühlwasserabdichtung für einen
Buchsenmotor zu schaffen, mit der sich der Ringspalt zwischen
Zylinderlaufbuchse und Motorblock dauerhaft zuverlässig abdichten läßt, und zwar bei
gleichzeitiger guter Kühlung der Zylinderlaufbuchse.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer
Kühlwasserabdichtung an einer Zylinderlaufbuchse eines Hubkolben-Verbrennungsmotors,
dessen Motorblock eine axiale erste Ausnehmung zum Einsetzen eines
Buchsenzylinders der Laufbuchse sowie zwischen der ersten Ausnehmung und
einer oberen Motorblockfläche eine zweite Ausnehmung zur Aufnahme eines
den Buchsenzylinder radial nach außen überragenden Buchsenbundes
aufweist, wobei zur Kühlwasserabdichtung zwischen dem Außenumfang der
Laufbuchse und dem Motorblock ein bezüglich der Laufbuchsenachse in radialer
Richtung elastisch verformbares, die Laufbuchse umfassendes ringförmiges
Abdichtelement eingespannt ist.
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Erfindungsgemäß wird eine solche Kühlwasserabdichtung so gestaltet, daß das
Abdichtelement mindestens ein elastomeres, ringförmiges Dichtelementteil
aufweist, welches den Buchsenbund umfaßt und zwischen dessen
Außenumfang und einer Umfangswand der zweiten Motorblockausnehmung
eingespannt ist.
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Wird bei einem erfindungsgemäßen Abdichtsystem auf ein zweites
Abdichtelement in Form eines zwischen der unteren Stirnfläche des Buchsenbunds
und dem Motorblock einzuspannenden Metallrings, z. B. eines Tombakrings,
verzichtet, kann in dem Ringspalt zwischen Zylinderlaufbuchse und Motorblock
Kühlwasser bis in den Bereich des Buchsenbundes hochsteigen, so daß die
Zylinderlaufbuchse optimal gekühlt wird. Wird das erfindungsgemäße
Abdichtsystem mit einem Tombakring kombiniert, kann dessen Beschädigung nicht
zur Folge haben, daß Kühlwasser bis in den Bereich der Zylinderkopfdichtung
gelangen kann. Im Vergleich zu dem vorstehend geschilderten zweiten
bekannten Abdichtsystem entfällt die Notwendigkeit der Herstellung einer
Ringnut für das Halten eines O-Rings, und Kühlwasser kann zumindest bis in die
Hohlkehle der Laufbuchse gelangen (auch bei Verwendung eines
Tombakrings), so daß die Zylinderlaufbuchse besser gekühlt wird. Wesentlich ist aber
vor allem, daß das erfindungsgemäße Abdichtelement im Motorbetrieb nur auf
Druck (in bezüglich der Laufbuchsenachse radialer Richtung) beansprucht wird
und nicht die Gefahr besteht, daß das Abdichtelement durch die vorstehend
geschilderten Schiebebewegungen beschädigt wird.
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Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Abdichtelement ausschließlich aus
einem elastomeren Werkstoff bestehen, welcher natürlich gegen heißes
Kühlwasser dauerhaft beständig sein muß; wenn die Konstruktion von Motorblock
und Zylinderlaufbuchse und die Halterung der Laufbuchse im Motorblock
jedoch so gestaltet sind, daß die Gefahr besteht, daß ein rein elastomeres
Abdichtelement im Ringspalt zwischen Laufbuchse und Motorblock durch
Quetschen bereichsweise zerstört wird, empfiehlt sich eine Ausführungsform,
bei der das elastomere Dichtelementteil mit mindestens einem
verformungssteifen, zwischen dem Außenumfang des Buchsenbunds und der Umfangswand
der zweiten Motorblockausnehmung anordenbaren Verformungsbegrenzer
verbunden ist, welchen das elastomere Dichtelementteil im unverformten
Zustand in radialer Richtung überragt. Vorteilhafterweise kann ein solcher
Verformungsbegrenzer so ausgebildet werden, daß er dazu dient, das elastomere
Dichtelementteil im Ringspalt in der gewünschten Weise zu positionieren. So
wäre es z. B. denkbar, in Umfangsrichtung des elastomeren Dichtelementteils
im Abstand voneinander angeordnete, stegartige metallische
Verformungsbegrenzer mit dem elastomeren Dichtelementteil zu verbinden, so daß sich das
Abdichtelement über diese stegartigen Verformungsbegrenzer auf der
Bodenfläche der zweiten Motorblockausnehmung abstützen kann. In der Herstellung
einfacher wird das erfindungsgemäße Abdichtelement jedoch dann, wenn der
Verformungsbegrenzer ein den Buchsenbund umfassender Metallring ist; in
diesem Fall kann das elastomere Dichtelementteil an den Metallring
angespritzt oder anvulkanisiert werden. Durch die in bezüglich der
Laufbuchsenachse radialer Richtung gemessene Dicke des Verformungsbegrenzers läßt sich
festlegen, in welchem Maß das elastomere Dichtelementteil zwischen
Buchsenbund und Motorblock maximal verformt werden kann. Wird zusätzlich
zu dem erfindungsgemäßen Abdichtelement ein zweites Abdichtelement in
Form eines Metallrings (Tombakring) verwendet, welches zwischen einer
unteren ringförmigen Stirnfläche des Buchsenbundes und einer ringförmigen
Bodenfläche der zweiten Motorblockausnehmung eingelegt ist, können
schließlich der Verformungsbegrenzer und das zweite Abdichtelement miteinander
einteilig sein, d. h. es kann sich insbesondere um ein einziges, durch Stanzen
und Tiefziehen erzeugtes Metallteil handeln.
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Bei Nutzfahrzeugmotoren sind häufig anstelle eines einzigen Zylinderkopfs
mehrere Zylinderköpfe vorgesehen, und zwar für jeden Brennraum ein
gesonderter Zylinderkopf; in diesem Fall weist der Motor auch mehrere
Zylinderkopfdichtungen auf, nämlich für jeden Zylinderkopf eine separate Dichtung
(sogenannte Einzeldichtungen). Im Falle solcher Einzeldichtungen führt die
Erfindung noch zu einem weiteren Vorteil: Der Ringspalt zwischen
Zylinderlaufbuchse und Motorblock wird viel weiter oben abgedichtet, so daß
korrosives Spritzwasser (Salzwasser), dessen Eindringen in den Ringspalt durch
eine Einzeldichtung nicht verhindert werden kann, nicht nennenswert weit in
den Ringspalt eintreten kann - im Falle eines Motors mit Einzeldichtungen
werden also Korrosionsschäden am Motor durch die erfindungsgemäße
Abdichtung beträchtlich reduziert.
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Eine besonders weitgehende Kühlung der Zylinderlaufbuchse ergibt sich dann,
wenn im Bereich des Ringspalts zwischen Buchsenbund und Motorblock eine
sich von der oberen Motorblockdichtfläche nach unten erstreckende, zur
Laufbuchsenachse konzentrische Ringnut sowie ein in diese einlegbarer, zwischen
Buchsenbund und Motorblock verspannbarer, zumindest im wesentlichen
elastomerer Dichtring vorgesehen sind, da dann das Kühlwasser zwischen
Laufbuchse und Motorblock fast bis zur oberen Motorblock- bzw. Laufbuchsen-
Dichtfläche hochsteigen kann. Außerdem kann bei einer solchen Konstruktion
auf alle Fälle auf einen Verformungsbegrenzer verzichtet werden, da die
radiale Breite der Ringnut ein gewisses Mindestmaß keinesfalls unterschreiten
kann. Eine solche Ausführungsform eröffnet auch die Möglichkeit, den
erfindungsgemäßen Dichtring an einer auf die obere Motorblock- bzw.
Laufbuchsen-Dichtfläche auflegbaren Zylinderkopfdichtung anzubringen, z. B.
direkt anzuspritzen oder anzuvulkanisieren; ferner besteht bei einer solchen
Ausführungsform die Möglichkeit, das Einlegen mehrerer einzelner Dichtringe
in die Ringnuten eines Mehrzylindermotors zu vermeiden und dadurch die
Motormontage zu vereinfachen: Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, die
einander benachbarten Zylindern zugeordneten Ringnuten an ihren radial äußeren
Nutseitenwänden ineinander übergehen zu lassen und die in diese Ringnuten
einlegbaren Dichtringe einstückig miteinander zu verbinden, d. h. ein
elastomeres Teil z. B. im Spritzgußverfahren herzustellen, welches mehrere
miteinander verbundene Dichtringe bildet. Eine solche Ausführungsform empfiehlt
sich insbesondere für die vorstehend geschilderten Motoren mit sogenannten
Einzeldichtungen.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung sowie der beigefügten zeichnerischen
Darstellung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Abdichtsystems; in der Zeichnung zeigen:
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Fig. 1 einen Querschnitt in einer die Laufbuchsenachse enthaltenden
Ebene durch einen Teil eines Motorblocks sowie einen Teil
einer Zylinderlaufbuchse und eine erste Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Abdichtelements;
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Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer gegenüber
dieser modifizierten zweiten Ausführungsform;
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Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer dritten
Ausführungsform und
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Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Elastomerteil, welches mehrere
erfindungsgemäße, miteinander einstückig verbundene Dichtringe
bildet.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 besteht eine als Ganzes mit 10
bezeichnete Zylinderlaufbuchse aus einem Buchsenzylinder 12 mit einer
Laufbuchsenachse 14 und einem den Buchsenzylinder bezüglich der
Laufbuchsenachse in radialer Richtung nach außen überragenden Buchsenbund 16, welcher
die Gestalt eines Kreisrings mit zumindest ungefähr rechteckigem Querschnitt
aufweist und sich am oberen Ende des Buchsenzylinders 12 befindet. Die
kreiszylindrische Außenumfangsfläche des Buchsenbundes 16 wurde mit 16a
bezeichnet, seine untere Stirnfläche mit 16b. Zur Vermeidung eines
Kerbeffekts ist im Bereich des Übergangs des Buchsenbunds 16 in den
Buchsenzylinder 12 in die Außenumfangsfläche des Buchsenzylinders eine
kreisringförmige Hohlkehle 18 eingearbeitet worden.
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Ein als Ganzes mit 20 bezeichneter Motorblock hat ebenso wie die Laufbuchse
10 eine obere Dichtfläche 22; auf diese Dichtflächen wird eine nicht
dargestellte Zylinderkopfdichtung aufgelegt. In den Motorblock 20 ist eine erste
axiale Ausnehmung (Bohrung) 24 eingearbeitet, deren Wandung zusammen
mit der Außenumfangswand des Buchsenzylinders 12 einen ersten
Ringspaltbereich 26 bildet, in dem von unten eintretendes Kühlwasser zirkulieren kann.
Zur Aufnahme des Buchsenbundes 16 wurde in den Motorblock 20 eine zweite,
kreisringförmige axiale Ausnehmung 30 eingearbeitet, deren Durchmesser
größer ist als derjenige der ersten axialen Ausnehmung 24; die Umfangswand
der Ausnehmung 30 wurde mit 30a bezeichnet, ihre kreisringförmige
Bodenfläche mit 30b. Erfindungsgemäß ist der Durchmesser der zweiten axialen
Ausnehmung 30 und damit ihrer Umfangswand 30a deutlich größer als der
Außendurchmesser des Buchsenbunds 16.
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In einen zweiten Ringspaltbereich 40, welcher von der Außenumfangsfläche
16a des Buchsenbundes 16 und der Umfangswand 30a der zweiten axialen
Ausnehmung des Motorblocks 20 begrenzt wird, ist ein erfindungsgemäßes
Abdichtelement 50 eingesetzt. Dieses besteht bei der dargestellten
Ausführungsform aus einem elastomeren Dichtring 50a und einem Trägerring 50b
aus Metall oder einem verformungssteifen und temperaturbeständigen
Kunststoff, an den der Dichtring 50a z. B. angespritzt oder angeklebt wurde. Sowohl
der Dichtring 50a als auch der Trägerring 50b umfassen den Buchsenbund 16
kreisringförmig. Der elastomere Dichtring 50a ist erfindungsgemäß so
dimensioniert, daß seine bezüglich der Laufbuchsenachse 14 in radialer Richtung
gemessene Breite bei unverformtem Dichtring größer ist als die Breite des
zweiten Ringspaltbereichs 40, so daß der Dichtring 50a bei eingebautem
Abdichtelement 50 zwischen der Außenumfangsfläche 16a des Buchsenbundes
und der Umfangswand 30a der Ausnehmung 30 abdichtend eingespannt ist.
Andererseits soll die wiederum in radialer Richtung gemessene Breite bzw.
Wandstärke des Trägerrings 50b so bemessen sein, daß sie kleiner ist als die
Breite des elastomeren Dichtrings 50a, jedoch immer noch so groß, daß der
Trägerring 50b für den Dichtring 50a als Verformungsbegrenzer wirken kann,
um so zu verhindern, daß der elastomere Dichtring 50a im Motorbetrieb
unerwünscht stark verformt, d. h. gequetscht werden kann. Der Trägerring 50b
steht auf der Bodenfläche 30b der Ausnehmung 30 des Motorblocks 20 auf und
positioniert so den elastomeren Dichtring 50a; andererseits würde eine
theoretisch denkbare axiale Verschiebung des Dichtrings 50a nach oben durch eine
nicht dargestellte Zylinderkopfdichtung verhindert, welche auf der oberen
Dichtfläche von Motorblock 20 und/oder Buchsenbund 16 aufliegt.
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Ein dritter Ringspaltbereich 60 zwischen der unteren Stirnfläche 16b des
Buchsenbundes 16 und der Bodenfläche 30b der Ausnehmung 30 nimmt einen
Tombakring 62 auf, der beim Anziehen der nicht dargestellten
Zylinderkopfschrauben, d. h. des nicht dargestellten Zylinderkopfs, zwischen der unteren
Stirnfläche 16b und der Bodenfläche 30b eingespannt wird und diesen dritten
Ringspaltbereich 60 abdichten soll, so daß im ersten Ringspaltbereich 26
zirkulierendes Kühlwasser nicht in den zweiten Ringspaltbereich 40 gelangen kann.
Wenn aber der Tombakring 62 durch radiale relative Schiebebewegungen
zwischen der unteren Stirnfläche 16b und der Bodenfläche 30b beschädigt und
seine Abdichtfunktion beeinträchtigt werden sollte, verhindert das
Abdichtelement 50, daß Kühlwasser bis in den Bereich der Zylinderkopfdichtung, d. h.
bis in den Bereich der oberen Dichtflächen von Motorblock 20 und
Buchsenbund 16 gelangen kann. Im Falle eines Motors mit sogenannten
Einzeldichtungen, bei dem der zweite Ringspaltbereich 40 oben nicht oder nicht
zuverlässig abgedichtet wird, weil die zu dem dargestellten Motorbereich gehörende
Einzeldichtung nur auf der oberen Dichtfläche des Buchsenbunds 16
abdichtend aufliegt, verhindert das Abdichtelement 50, daß korrosives Spritzwasser
von außen nennenswert weit in den zweiten Ringspaltbereich 40 eindringen
kann.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß der Tombakring 62 entfallen und die
Konstruktion so gestaltet werden kann, daß Kühlwasser die Zylinderlaufbuchse 10
auch noch in einem Bereich des Buchsenbundes 16 umspült, welcher
unmittelbar unterhalb der Abdichtstelle des Abdichtelements 50 liegt.
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Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen
gemäß Fig. 1 lediglich dadurch, daß an die Stelle des Tombakrings 62 und des
Trägerrings 50b der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ein ring- bzw. topfförmiges
metallisches Dichtelement 62' tritt, mit dem der elastomere Dichtring 50a
verbunden ist und das sich durch Stanzen und Tiefziehen herstellen läßt. Sieht
man von dieser Modifikation ab, wurden in Fig. 2 dieselben Bezugszeichen wie
in Fig. 1 verwendet.
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Für die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform wurden, soweit möglich,
dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet, jedoch um die Zahl 100 erhöht.
Deshalb wird im folgenden die Ausführungsform gemäß Fig. 3 nur insoweit
beschrieben werden, als sie von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 abweicht.
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Bei der in Fig. 3 dargestellten Konstruktion hat das erfindungsgemäße
Abdichtelement die Gestalt eines elastomeren Dichtrings 150, welcher in eine zur
Laufbuchsenachse 114 konzentrische Ringnut 170 eingelegt ist; diese Ringnut
ist nach oben offen und mündet in die oberen Dichtflächen 122 und 122' von
Motorblock 120 und Zylinderlaufbuchse 100 und wird durch einander
gegenüberliegende, zur Laufbuchsenachse 114 konzentrische, stufenförmige
Ausdrehungen 170a und 170b des Motorblocks 120 bzw. der
Zylinderlaufbuchse 100 gebildet. Wie in Fig. 3 dargestellt, kann der elastomere Dichtring
150 mit einer Zylinderkopfdichtung 180 verbunden, z. B. unmittelbar an diese
angespritzt oder anvulkanisiert sein. Im unverformten, d. h. noch nicht
eingebauten Zustand ist die in bezüglich der Laufbuchsenachse 114 radialer
Richtung gemessene Breite oder Dicke des elastomeren Dichtrings 150 größer als
die in derselben Richtung gemessene Breite der Ringnut 170, so daß der
montierte Dichtring 150 zwischen den Seitenwänden der Ringnut 170 abdichtend
eingespannt ist.
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Bei einem Mehrzylindermotor können die den einzelnen Zylinderlaufbuchsen
100 zugeordneten Ringnuten 170 an ihren radial äußeren Nutseitenwänden in
den Bereichen zwischen den Zylinderlaufbuchsen ineinander übergehen, was
die Möglichkeit eröffnet, ein in Fig. 4 teilweise dargestelltes elastomeres
Abdichtelement 150' zu verwenden, welches mehrere einstückig miteinander
verbundene Dichtringe 150" aufweist, wobei die Anzahl dieser Dichtringe 150"
der Anzahl der Zylinder des Motors entspricht. Diese Ausführungsform
empfiehlt sich für Motoren mit einer einzigen Zylinderkopfdichtung, während
sich einzelne elastomere Dichtringe 150 (wie in Fig. 3 gezeigt) für Motoren mit
Einzeldichtungen empfehlen.
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Vorsorglich sei noch darauf hingewiesen, daß in allen Fällen die elastomeren
Dichtringe nicht ausschließlich aus elastomerem Material bestehen müssen, da
es beispielsweise empfehlenswert sein kann, für einen solchen Dichtring einen
metallischen, ringförmigen Kern zu verwenden, welcher mit elastomerem
Material umspritzt wird.