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Die
Erfindung betrifft die Abdichtung des Dichtspalts zwischen dem Motorblock
und einem Buchsenbund einer Zylinderlaufbuchse eines Verbrennungsmotors
mittels eines Buchsenabdichtrings, d. h. Gegenstand der Erfindung
ist ein metallischer Buchsenabdichtring für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor
mit einem Motorblock, mindestens einem Zylinderkopf, mindestens
einer Zylinderkopfdichtung sowie mindestens einer Zylinderlaufbuchse, welche
mit einem zylinderkopfseitigen oberen Buchsenbund, der einen im
wesentlichen kreiszylindrischen Buchsenzylinder radial nach außen überragt, eine
die Laufbuchse umschließende
Innenschulter des Motorblocks übergreift,
wobei der Buchsenabdichtring mittels den Zylinderkopf gegen den
Motorblock anziehender Zylinderkopfschrauben zwischen einander zugekehrten
ringförmigen
Dichtflächen
der Motorblock-Innenschulter und des Buchsenbunds eingespannt werden
kann. In diesem Zusammenhang sei der Vollständigkeit halber erwähnt, daß bei einem
Mehrzylindermotor für
jeden Brennraum ein gesonderter Zylinderkopf und eine gesonderte
Zylinderkopfdichtung vorgesehen sein können, wie dies beispielsweise
bei manchen Nutzfahrzeugmotoren der Fall ist.
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Motorbauteile,
wie ein Motorblock und ein Zylinderkopf, können nicht als absolut starre
Bauteile betrachtet werden; die von den Zylinderkopfschrauben erzeugten
Kräfte,
mit denen die Zylinderkopfdichtung zwischen den Dichtflächen von
Zylinderkopf und Motorblock sowie Zylinderlaufbuchse und ein Buchsenabdichtring
zwischen den Dichtflächen
von Zylinderlaufbuchse und Motorblock eingespannt werden, sind bereichsweise
unterschiedlich groß,
und infolgedessen gilt gleiches für die spezifische (d. h. auf die
Flächeneinheit
bezogene) Flächenpressung
zwischen einer solchen Dichtung und den gegen diese angepreßten Dichtflächen. Da
die Motorbauteile nicht absolut steif bzw. starr sind, können ihre
einen Dichtspalt, der durch die betreffende Dichtung abgedichtet
werden soll, begrenzenden Dichtflächen mit zunehmendem Querabstand
von den Zylinderkopfschrauben immer mehr in Richtung senkrecht zur Dichtspaltebene
ausweichen, wodurch die auf die Dichtung einwirkenden spezifischen
Flächenpressungen
entsprechend abnehmen. Zu bereichsweise unterschiedlichen spezifischen
Flächenpressungen führen aber
auch Ausnehmungen in den Motorbauteilen, so z. B. im Motorblock
und im Zylinderkopf vorgesehene Hohlräume für den Durchtritt von Kühlmittel,
Motoröl
und Ventilsteuerungsteilen, da durch solche Hohlräume die
Bauteilsteifigkeit bereichsweise vermindert wird, und in diesem
Zusammenhang muß man
sich vor Augen halten, daß derartige
Hohlräume auch
in unmittelbarer Nachbarschaft der Brennräume von Hubkolben-Verbrennungsmotoren
angeordnet sind.
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Beim
Buchsenabdichtring bekannter Motoren handelt es sich um einen metallischen
Dichtring mit zwei ebenen und zueinander parallelen Dichtflächen bzw.
Hauptoberflächen,
welcher aus Tombak besteht, d. h. aus einer zu den Messingen gehörenden korrosionsbeständigen Kupfer-Zink-Legierung mit
einem überwiegenden
Kupferanteil. Wie sich aus den vorstehenden Betrachtungen der Steifigkeit
der Motorbauteile ergibt, führt
ein solcher Buchsenabdichtring dazu, daß die spezifische Flächenpressung zwischen
Dichtring und den gegen ihn anliegenden Dichtflächen von Zylinderlaufbuchse
und Motorblock – in
Längsrichtung
der Zylinderkopfschrauben gesehen – mit zunehmendem Abstand von
den Zylinderkopfschrauben abnimmt; ebenso nimmt die spezifische
Flächenpressung
dort ab, wo die Steifigkeit der Motorbauteile durch Hohlräume vermindert
ist.
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Im
Motorbetrieb kann der in einem Brennraum herrschende, zyklisch stark
variierende Gasdruck bezüglich
der Brennraumachse radial verlaufende Relativbewegungen (Querbewegungen)
der Dichtflächen
zur Folge haben, wenn die vom Gasdruck erzeugten, bezüglich der
Brennraumachse radial orientierten Querkräfte, bezogen auf die von den Zylinderkopfschrauben
hervorgerufenen Einspannkräfte
(Normalkräfte),
ein kritisches Maß überschreiten,
welches von Haftreibungskoeffizienten zwischen dem Buchsenabdichtring
und der Dichtfläche
von Motorblock bzw. Zylinderlaufbuchse abhängt.
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Die
Folgen der vorstehend beschriebenen bereichsweise unterschiedlichen
Dichtflächenpressung
zwischen Buchsenabdichtring und den Motorbauteil-Dichtflächen, zwischen denen der Buchsenabdichtring
eingespannt ist, sind infolgedessen einerseits das Risiko einer
Undichtigkeit der Abdichtung zwischen Motorblock und Zylinderlaufbuchse und
andererseits das Risiko eines Reibverschleißes an den Dichtflächen von
Motorblock und Zylinderlaufbuchse und/oder am Buchsenabdichtring.
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Aus
DE 16 01 387 B ergibt
sich ein zwischen einem Buchsenbund einer Zylinderlaufbuchse und einer
den Buchsenbund abstützenden
Innenschulter eines Motorblocks anzuordnender Buchsenabdichtring,
der insbesondere aus einem weichen Metall besteht; dieser Buchsenabdichtring
soll unter dem Einfluß der
durch die Zylinderkopfschrauben hervorgerufenen Einspannkräfte plastisch
verformbar sein, um eine gleichmäßigere Verteilung
der Auflagekräfte des
Buchsenabdichtrings auf der Motorblock-Innenschulter zu erzielen.
Vor dem Einbau weist dieser Buchsenabdichtring also offensichtlich
einen überall gleichen
Querschnitt auf. Ein unter Druck plastisch verformbarer und insbesondere
aus einem weichen Metall bestehender Buchsenabdichtring unterliegt
im Motorbetrieb sicherlich einem erheblichen Verschleiß, insbesondere
aufgrund der vorstehend beschriebenen Querbewegungen.
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Durch
die Erfindung soll die durch einen Buchsenabdichtring bewirkte Abdichtung
zwischen einem Motorblock und dem Buchsenbund einer Zylinderlaufbuchse
während
des Motorbetriebs, und zwar schon von Anfang an, verbessert werden.
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Grundgedanke
der vorliegenden Erfindung ist es nun, die vorstehend geschilderten
Risiken zu verringern, und zwar durch eine die Konstruktion des betreffenden
Motors berücksichtigende
besondere Gestaltung des Buchsenabdichtrings derart, daß längs des
gesamten Umfangs des Buchsenabdichtrings um die Laufbuchse herum
die Pressungsverteilung und damit die spezifische Dichtflächenpressung vergleichmäßigt wird.
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Zur
Berücksichtigung
des Umstands, daß die spezifische
Dichtflächenpressung
mit größer werdendem
Abstand von den Zylinderkopfschrauben abnimmt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
den Buchsenabdichtring so zu gestalten, daß sich längs des Umfangs des Buchsenabdichtrings
um die Laufbuchse herum mindestens eine der Eigenschaften Höhe und Härte des
Buchsenabdichtrings derart ändert,
daß diese
Eigenschaft in den – vom
Zentrum der Öffnung
des Buchsenabdichtrings aus gesehen – zwischen den Zylinderkopfschrauben
liegenden Buchsenabdichtringbereichen (Zwischenbereichen) wenigstens über einen
Teil des betreffenden Buchsenabdichtringbereichs größer ist
als in den den Zylinderkopfschrauben benachbarten Buchsenabdichtringbereichen.
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Soll
die durch Hohlräume
in den Motorbauteilen hervorgerufene bereichsweise unterschiedliche
Bauteilsteifigkeit berücksichtigt
werden, sieht die Erfindung eine solche Gestaltung des Buchsenabdichtrings
vor, daß sich
längs des
Umfangs des Buchsenabdichtrings um die Laufbuchse herum mindestens
eine der Eigenschaften Höhe
und Härte
des Buchsenabdichtrings entsprechend der bereichsweise unterschiedlichen
Nachgiebigkeit der ringförmigen Dichtflächen von
Buchsenbund und Motorblock-Innenschulter ändert – an Stellen größerer Nachgiebigkeit
soll also die in Rede stehende Eigenschaft des Buchsenabdichtrings
gleichfalls größer sein
als an Stellen geringerer Nachgiebigkeit. Betrachtet man also einen
Abschnitt des Buchsenabdichtrings, welcher – vom Zentrum seiner Öffnung aus
gesehen – zwischen
zwei Zylinderkopfschrauben liegt, so ist in diesem Ringabschnitt
insbesondere die Höhe
(Dicke) des Buchsenabdichtrings dort am größten, wo die Summe aus der
Nachgiebigkeit der Dichtfläche
des Buchsenbunds und der Nachgiebigkeit der Dichtfläche der
Motorblock-Innenschulter am größten bzw. die
Summe aus der Steifigkeit der Dichtfläche des Buchsenbunds und der
Steifigkeit der Dichtfläche
der Motorblock-Innenschulter am kleinsten ist. Gleiches läßt sich
mit einer größeren Härte des
Buchsenabdichtrings an einer solchen Stelle erreichen, und es versteht
sich von selbst, daß man
auch mit einer Kombination dieser Eigenschaften zu dem gewünschten
Ziel kommen kann.
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Bei
der Beurteilung der vorliegenden Erfindung ist zu beachten, daß jeder
Buchsenabdichtring (ebenso wie jede Zylinderkopfdichtung) für einen ganz
bestimmten, vorgegebenen Motor konstruiert wird, für den sich
mit einem sogenannten Finite-Elemente-Modell (FEM) die örtliche
Bauteilsteifigkeit ebenso berechnen läßt wie die örtlich auftretenden, von den
Zylinderkopfschrauben erzeugten Einspannkräfte – die Anzugsdrehmomente der
Zylinderkopfschrauben werden vom Motorenhersteller vorgegeben. Deshalb
ist es ohne weiteres möglich,
mit einem FEM die Höhenprofilierung
eines erfindungsgemäßen Buchsenabdichtrings
zu berechnen, ebenso aber den gewünschten Verlauf der Härte (Härtenprofil)
längs des
Umfangs eines erfindungsgemäßen Buchsenabdichtrings,
um die gewünschte
Vergleichmäßigung der
spezifischen Flächenpressung
an den Dichtflächen
herbeizuführen.
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Aus
der
DE 41 42 600 C2 der
Firma ElringKlinger AG ist es schon bekannt, ein in eine Zylinderkopfdichtung
integriertes, um einen Brennraum herumlaufendes kreisringförmiges metallisches
Brennraum-Dichtelement so zu gestalten, daß längs des Brennraum-Dichtelements
eine vergleichmäßigte Dichtflächenpressung
erzielt wird, und zwar dadurch, daß sich längs des Umfangs des Dichtelements
dessen Höhe
und/oder Härte
umgekehrt ändert
wie die Steifigkeit der Motorbauteile Zylinderkopf und Motorblock.
Diese schon seit mehr als acht Jahren bekannte Maßnahme hat
jedoch bislang der Fachwelt keine Veranlassung gegeben, von den
bekannten Buchsenabdichtringen mit planparallelen Dichtflächen bzw.
Hauptoberflächen
abzugehen und zur Vergleichmäßigung der
Dichtflächenpressung
zwischen Buchsenabdichtring und Laufbuchse bzw. Motorblock einen
Buchsenabdichtring so zu gestalten, wie es die vorliegende Erfindung
vorschlägt.
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Ergänzend sei
noch bemerkt, daß sich
ein erfindungsgemäßer Buchsenabdichtring,
ausgehend von einem Buchsenabdichtring mit planparallelen Dichtflächen, aufgrund
der Rotationssymmetrie des Rohteils verhältnismäßig kostengünstig herstellen läßt, z. B.
eine Höhenprofilierung
des Buchsenabdichtrings durch sogenanntes Rollieren. Bezüglich anderer
Herstellungsverfahren wird auf die in der
DE 41 42 600 C2 beschriebenen
Verfahren zur Herstellung eines Brennraum-Dichtelements einer Zylinderkopfdichtung
verwiesen.
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Als
Werkstoffe für
einen erfindungsgemäßen Buchsenabdichtring
empfehlen sich Messinglegierungen, insbesondere Tombak, aber auch
Stahl 1.4301 (nach DIN-Norm). Andere Werkstoffe sind gleichfalls
möglich,
soweit sie hinreichend korrosionsbeständig und gegebenenfalls anpassungsfähig sind,
d. h. sich beim Anziehen der Zylinderkopfschrauben und/oder im Motorbetrieb
an die benachbarten Dichtflächen
anpassen können,
so wie dies bei bevorzugten Ausführungsformen
der Fall ist, welche sich dadurch auszeichnen, daß der Ring
durch eine entsprechende Abstimmung seiner Dimensionierung und/oder
seines Werkstoffs auf die durch die Zylinderkopfschrauben aufgebrachten
Einspannkräfte
im eingebauten Zustand durch diese Einspannkräfte zumindest bereichsweise
plastisch deformierbar ist.
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Natürlich muß durch
geeignete Maßnahmen sichergestellt
werden, daß der
Buchsenabdichtring mit richtiger Positionierung eingebaut wird und
sich gegebenenfalls im Motorbetrieb auch nicht drehen kann; eine
solche Maßnahme
ist z.B. eine Markierung am Buchsenabdichtring oder ineinandergreifende
Konturen am Buchsenabdichtringumfang und an der Laufbuchse.
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Wie
sich aus den vorstehenden Ausführungen
ergibt, ist es empfehlenswert, zur Vermeidung eines Reibverschleißes Querbewegungen
der gegen den Buchsenabdichtring angepreßten Dichtflächen relativ
zueinander und relativ zum Buchsenabdichtring zu verhindern, weshalb
vorgeschlagen wird, den Ring an mindestens einer seiner beiden voneinander abgewandten
Hauptoberflächen
(Dichtflächen)
und vorzugsweise an beiden Hauptoberflächen mit die Haftreibung zwischen
dem Ring und der Laufbuchsen-Dichtfläche und/oder der Motorblock-Innenschulterdichtfläche erhöhenden Mitteln
zu versehen. Deshalb ist bei bevorzugten Ausführungsformen der Ring an mindestens
einer seiner Hauptoberflächen mit
einer die Haftreibung erhöhenden
Beschichtung und/oder Oberflächenprofilierung
versehen – eine solche
Oberflächenprofilierung
kann insbesondere die Form einer aufgerauhten oder mit Rillen, einer Rändelung
oder Nuten versehenen Oberfläche
haben.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung sowie der beigefügten zeichnerischen Darstellung
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung; in der Zeichnung zeigen
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1 einen Schnitt durch Teile
eines Hubkolben-Verbrennungsmotors, nämlich durch Teile einer Zylinderlaufbuchse,
eines Motorblocks, eines Buchsenabdichtrings, einer Zylinderkopfdichtung und
eines Zylinderkopfs, wobei die Schnittebene die Brennraumachse eines
Brennraums des Motors enthält
und der Zylinderkopf im abgehobenen, noch nicht verspannten Zustand
dargestellt wurde;
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2 eine Draufsicht auf eine
Zylinderlaufbuchse und einen diese aufnehmenden Teil des Motorblocks;
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3 eine schematische Draufsicht
auf eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Buchsenabdichtringes;
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4 eine schematische Draufsicht
auf einen Buchsenabdichtring zur Darstellung der in 5 verwendeten Winkelkoordinate, und
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5 ein Diagramm, in dem für einen
bevorzugten Buchsenabdichtring ein erfindungsgemäßes Höhenprofil sowie die Bauteilsteifigkeit
(in Richtung senkrecht zu den Dichtflächen von Motorblock und Zylinderlaufbuchse)
des zugehörigen
Motors im Bereich dieses Buchsenabdichtrings schematisch dargestellt
sind (für
einen hinsichtlich seiner Härte
erfindungsgemäß gestalteten
Buchsenabdichtring würde ein
entsprechendes Diagramm gelten).
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Die 1 zeigt Teile eines Motorblocks 10 sowie
einer in diesen eingesetzten Zylinderlaufbuchse 12 und
einer Zylinderkopfdichtung 14; ferner läßt die 1 einen Teil eines Brennraums 16 erkennen, wobei
die Brennraumachse mit 16a bezeichnet wurde. Der oberhalb
der Zylinderkopfdichtung 14 liegende Zylinderkopf wurde
mit 15 bezeichnet; dieser Zylinderkopf bildet zusammen
mit dem Motorblock 10 und den Zylinderlaufbuchsen 12 Motors
einen Dichtspalt, der durch die Zylinderkopfdichtung 14 abgedichtet
wird. Diesen Dichtspalt nach unten begrenzende Dichtflächen des
Motorblocks 10 und der Zylinderlaufbuchse 12 wurden
mit 10a bzw. 12a bezeichnet.
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Für die Aufnahme
der Zylinderlaufbuchse 12 ist der Motorblock 10 mit
einer insgesamt mit 20 bezeichneten Ausdrehung versehen;
diese ist so abgestuft, daß sie
eine Innenschulter 22 mit einer ringförmigen, idealerweise ebenen
und senkrecht zur Brennraumachse 16a verlaufenden Dichtfläche 24 bildet.
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Die
Zylinderlaufbuchse 12 hat einen Buchsenzylinder 26 und
einen mit diesem einstückigen Buchsenbund 28,
welcher den Buchsenzylinder bezüglich
der Brennraumachse 16a radial nach außen überragt und an seiner Unterseite
eine Dichtfläche 30 bildet,
welche die Brennraumachse 16a ringförmig umgibt und idealerweise
eben ist sowie senkrecht zur Brennraumachse 16a verläuft. Der
von den Dichtflächen 24 und 30 gebildete
Dichtspalt wird von einem erfindungsgemäßen Buchsenabdichtring 32 abgedichtet.
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Die 2 zeigt eine Draufsicht
auf einen Teil des Motorblocks 10 bzw. seiner Dichtfläche 10a und auf
die Zylinderlaufbuchse 12, welche den Brennraum 16 umschließt. Der
Motorblock 10 soll mehrere Brennräume und damit Zylinderlaufbuchsen
beinhalten, weshalb in 2 die
Motorlängsmittelachse
mit 40 bezeichnet wurde. Der in 2 dargestellte Teil des Motorblocks 10 enthält vier
als senkrecht zu seiner Dichtfläche 10a verlaufende
Gewindebohrungen gestaltete Schraubenbohrungen 42, 44, 46 und 48 für nicht
dargestellte Zylinderkopfschrauben, Kühlwasserdurchgänge 50, 52, 54 und 56, Öldurchgänge 58 und 60,
Stößeldurchgänge 62 und 64 für Ventilsteuerungsstößel und
schließlich
Bohrungen 66 und 68 für nicht dargestellte Positionierstifte.
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Obwohl
die 2 den durch den
Buchsenbund 28 verdeckten Buchsenabdichtring 32 nicht
erkennen läßt, gibt
die 2 Veranlassung,
darauf hinzuweisen, daß die
den Schraubenbohrungen 42, 44, 46 und 48 benachbarten
Bereiche des Buchsenabdichtrings 32 als Schraubenbereiche
des Dichtrings bezeichnet werden sollen, während die (vom Zentrum des
Buchsenabdichtrings aus gesehen) zwischen den Schraubenbohrungen
liegenden Ringbereiche als Zwischenschraubenbereiche bezeichnet werden.
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Ein
Buchsenabdichtring hat typischerweise eine mittlere Höhe bzw.
Dicke von beispielsweise 0,15 mm, und bei einem höhenprofilierten
erfindungsgemäßen Buchsenabdichtring
sind die Höhenunterschiede
typischerweise um eine Größenordnung
kleiner als die mittlere Dicke des Buchsenabdichtrings; deshalb
läßt sich
die Höhenprofilierung des
erfindungsgemäßen Buchsenabdichtrings
zeichnerisch nicht darstellen.
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Für den in 3 dargestellten Buchsenabdichtring 32 wurde
die Motorlängsmittelachse 40 strichpunktiert
angedeutet. Die vorstehend definierten Schraubenbereiche wurden
mit C, G, L und P bezeichnet; in diesen Schraubenbereichen ist die
Höhe bzw.
Dicke des Buchsenabdichtrings 32 geringer als die mittlere
Höhe bzw.
Dicke des Buchsenabdichtrings, und zwar soll die Dicke in den Schraubenbereichen
C, G und L 30 μm
geringer sein als die mittlere Ringdicke, während die Dicke im Schraubenbereich P
20 μm geringer
sein soll als die mittlere Ringdicke. In den zwischen schroubenbereichen
A, E, I und N soll die Ringdicke hingegen 30 μm größer sein als die mittlere Ringdicke.
In den schraffierten Ringbereichen B, D, F, H, K, M, O und Q nimmt
die Ringdicke in Ringumfangsrichtung stetig ab bzw. zu, so daß sich ein
stetiger Verlauf des Höhenprofils
des Buchsenabdichtrings ergibt.
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Die 5 gibt die Schwankungen
der Steifigkeit der Motorbauteile und der Höhe bzw. Härte des Buchsenabdichtrings
unrealistisch hoch wieder. In die 2 und 4 wurde der Winkel α eingezeichnet, den
der von der Brennraumachse 16a zu einer bestimmten Stelle
des Buchsenabdichtrings 32 führende Radius mit der Motorlängsmittelachse 40 bildet. Dieser
Winkel bildet die Abszisse des in 5 wiedergegebenen
Diagramms. Bei der in 2 dargestellten
Ausführungsform
liegen die Schraubenbohrungen 42, 44, 46 und 48 also
ungefähr
bei α gleich 45°, 135°, 225° und 315°; dort besitzt
ein höhenprofilierter
erfindungsgemäßer Buchsenabdichtring 32 seine
geringste Höhe
bzw. Dicke, während
bei einer Vernachlässigung
der Verringerung der Steifigkeit der Motorbauteile durch Brennraum-nahe
Durchgänge,
wie die Stößeldurchgänge 62 und 64 sowie
die Kühlwasserdurchgänge 54 und 56,
diejenigen Stellen, an denen ein höhenprofilierter erfindungsgemäßer Buchsenabdichtring
seine größte Höhe bzw.
Dicke aufweist, bei ungefähr
0°, 90°, 180° und 270° liegen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen Buchsenabdichtrings
ist jedoch dessen Höhe
bzw. Dicke und/oder Härte
eine Funktion des Winkels α sowie
der Nachgiebigkeit der Dichtflächen 24 und 30 in
Richtung der Brennraumachse 16a, so wie dies schematisch
in 5 dargestellt wurde.
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Obwohl
dies nicht gezeichnet wurde, besitzt der Buchsenabdichtring 32 eine
Markierung oder dergleichen, um sicherzustellen, daß er (drehwinkelmäßig) richtig
orientiert in den Motor eingebaut wird.