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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 in radialer Richtung federnd verformbares
metallisches, 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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Das metallische Dichtelementteil des erfindungsgemäßen Abdichtelements
kann z. B. mit einer elastomeren Beschichtung und/oder mit einem an das
metallische Dichtelementteil anvulkanisierten oder angespritzten elastomeren
bzw. Kunststoff-Dichtelementteil versehen sein, um die Abdichtsicherheit noch
weiter zu erhöhen. Bevorzugt werden Ausführungsformen, bei denen das
Abdichtelement einen Federstahlblechring aufweist, dessen Querschnitt, in einer
die Laufbuchsenachse enthaltenden Schnittebene, mindestens eine in radialer
(nach außen oder nach innen) Richtung vorspringende Auswölbung besitzt.
Der Querschnitt des Federstahlblechrings kann die Form eines flachen Bogens
haben, so daß er sich mit seinen beiden Kanten am Motorblock bzw. am
Buchsenbund und mit seiner Kuppe am jeweils anderen Bauteil abstützt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auswölbung des Federstahlblechrings als
Sicke ausgebildet ist. Natürlich kann der Federstahlblechring mit mehreren
solcher Auswölbungen versehen sein, welche in Richtung der Laufbuchsenachse
übereinander angeordnet sind, der Querschnitt des Federstahlblechring kann
aber sogar Wellenlinienform aufweisen.
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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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Durch das metallische federnde Dichtelementteil des erfindungsgemäßen
Abdichtelements lassen sich aber auch noch weitere Vorteile erreichen: Vor allem
dann, wenn das Abdichtelement einen Federstahlblechring mit einer radialen
Auswölbung aufweist, stellt es eine Zentrierhilfe beim Einsetzen der
Zylinderlaufbuchse in den Motorblock dar und bewirkt eine gleichmäßigere
Werkstoffbeanspruchung der Laufbuchse; außerdem wird der Buchsenbund in radialer
Richtung auf dem Motorblock federnd abgestützt, wobei die Federkraft
beträchtlich sein kann, was der Aufweitung der Laufbuchse durch die im
Brennraum auftretenden hohen Drücke und damit den vorstehend beschriebenen
Schiebebewegungen entgegenwirkt, so daß ein gegebenenfalls vorhandener
Tombakring weniger stark beansprucht wird.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung sowie der beigefügten zeichnerischen
Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Abdichtsystems; die Zeichnung zeigt einen Querschnitt in einer die Laufbuchsenachse
enthaltenden Ebene durch einen Teil eines Motorblocks sowie einen Teil einer
Zylinderlaufbuchse und ein erfindungsgemäßes Abdichtelement.
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Eine als Ganzes mit 10 bezeichnete Zylinderlaufbuchse besteht 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 Federstahlblechring, dessen Querschnitt einem flachen
Bogen entspricht und dessen Abmessungen so gewählt wurden, daß er schon
bei kaltem Motor unter beträchtlicher radialer Vorspannung zwischen dem
Buchsenbund 16 und dem Motorblock 20 eingespannt ist. Dieses
Abdichtelement 50 stützt sich einerseits mit seinen beiden Kanten auf der
Umfangswand 30a und andererseits mit seiner Kuppe auf der Außenumfangsfläche 16a
ab, die Verhältnisse könnten aber auch umgekehrt sein. Das im Querschnitt
bogenförmige Abdichtelement bildet mit seiner Auswölbung eine Art Sicke
(sogenannte Vollsicke), und dieser Federstahlblechring könnte zur weiteren
Verbesserung der Abdichtung mit einer elastomeren Beschichtung versehen
sein, insbesondere im Bereich seiner gegen den Buchsenbund 16 anliegenden
Kuppe. Bei fertig montiertem Motor wird das Abdichtelement 50 durch die
Bodenfläche 30b und durch die nicht dargestellte Zylinderkopfdichtung in
Richtung der Laufbuchsenachse 14 in seiner zeichnerisch dargestellten Position
gehalten, die axiale Erstreckung, d. h. die Breite des Abdichtelements 50,
könnte aber auch geringer als zeichnerisch dargestellt gewählt werden, da
axiale Verschiebungen des Abdichtelements 50 seine Abdichtfunktion nicht
beeinträchtigen können.
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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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Außerdem läßt die Zeichnung ohne weiteres erkennen, daß das
Abdichtelement 50 eine Zentrierhilfe beim Einschieben der Zylinderlaufbuchse 10 in
den Motorblock 20 darstellt.