DE19725985A1

DE19725985A1 - Metallic cylinder head gasket for internal combustion engine

Info

Publication number: DE19725985A1
Application number: DE1997125985
Authority: DE
Inventors: Hans Rainer Dr Zerfass; Peter Schenk
Original assignee: ElringKlinger AG
Current assignee: ElringKlinger AG
Priority date: 1997-06-19
Filing date: 1997-06-19
Publication date: 1999-01-21
Anticipated expiration: 2017-06-20
Also published as: DE19725985C2

Abstract

At least the outer surface around the cylinder opening (2) of at least one metallic sheet (1) forming a cylinder head gasket is provided with a micro-sealing coating comprising hard grains embedded in a polymeric binding medium. Preferably the filler comprises one or several metal silicates and/or metal oxides with a Moh's hardness of at least 4, particularly at least 6. The binding medium is preferably an elastomer, particularly a thermoplastic with a softening point more than 250 deg. C, particularly between 300 and 330 deg. C.

Description

Die Erfindung betrifft eine metallische Zylinderkopfdichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a metallic cylinder head gasket according to the preamble of claim 1.

Als Zylinderkopfdichtungen für Verbrennungsmotoren werden ei nerseits mit Weichstoffauflagen versehene Trägerbleche verwendet, wobei die Weichstoffauflagen im Bereich der Brennkammeröffnungen metallisch gefaßt sind, vgl. beispielsweise DE 31 01 921 C2 oder DE 37 15 858 A1, und andererseits neuerdings aus einer oder mehreren elastomerbeschichte ten Blechlagen bestehende metallische Flachdichtungen eingesetzt, wobei die Elastomerbeschichtung zur Mikroabdichtung dient.As cylinder head gaskets for internal combustion engines, ei on the other hand, use carrier sheets provided with soft material pads, whereby the soft material pads in the area of the combustion chamber openings are metallic are composed, cf. for example DE 31 01 921 C2 or DE 37 15 858 A1, and on the other hand recently from one or more elastomer coatings existing sheet metal layers are used, whereby the elastomer coating is used for micro sealing.

Aufgrund der Motordynamik werden Zylinderkopfdichtungen im mo torischen Betrieb u. a. Relativbewegungen parallel zur Dichtungsoberflä che ausgesetzt. Besonders bei hochbelasteten Dieselmotoren kann durch auftretende Bauteilresonanzen ein Schwingungsreibungsverschleiß in kri tischen, meist brennkammernahen Bereichen zwischen Zylinderkopf, insbe sondere dann, wenn Aluminium-Zylinderköpfe verwendet werden, und Motor block verursacht werden.Due to the engine dynamics, cylinder head gaskets are installed in the mo toric operation u. a. Relative movements parallel to the sealing surface exposed. Especially in the case of highly loaded diesel engines occurring component resonances a vibration friction wear in kri tables, mostly areas near the combustion chamber between the cylinder head, especially especially when aluminum cylinder heads are used and engine block caused.

Aus DE 36 18 786 A1 ist es bekannt, die gefährdeten Bereiche, nämlich die metallisch gefaßten Ränder an den Brennkammeröffnungen von Weichstoffdichtungen, bei denen der Weichstoff auch die Mikroabdichtung bewirkt, mit einer Gleitbeschichtung bestehend aus einem Schmiermittel pulver, insbesondere Polytetrafluorethylen, und einem polymeren Binde mittel, letzteres in Form eines Thermoplasten mit einem Erweichungspunkt oberhalb von 250°C, zu versehen.It is known from DE 36 18 786 A1 that the endangered areas, namely the metal framed edges at the combustion chamber openings of Soft material seals, where the soft material is also the micro-seal causes with a sliding coating consisting of a lubricant powder, especially polytetrafluoroethylene, and a polymeric bandage medium, the latter in the form of a thermoplastic with a softening point above 250 ° C.

Gemäß DE 31 01 921 C2 wird eine Gleitbeschichtung aus Fluorpo lymer oder einem Gleitlack gegebenenfalls unter Zusatz eines Fest schmierstoffs, wie Molybdändisulfid od. dgl., zusätzlich zur Mikroabdich tungsschicht vorgesehen.According to DE 31 01 921 C2, a sliding coating made of fluorpo lymer or a sliding varnish, optionally with the addition of a solid lubricant such as molybdenum disulfide or the like, in addition to micro-sealing tion layer provided.

Auch ist es versucht worden, ganzflächige Gleitbeschichtungen bei mehrlagigen metallischen Zylinderkopfdichtungen vorzusehen, wobei das jeweilige Deckblech außenseitig zunächst mit einer Elastomerbe schichtung versehen wird, die mittels eines Haftmittels auf dem Deck blech verankert wird, wonach eine Gleitbeschichtung aufgetragen wird.It has also been tried to apply full-surface anti-friction coatings to be provided for multi-layer metallic cylinder head gaskets, whereby the respective cover plate on the outside first with an elastomer Layering is provided using an adhesive on the deck sheet is anchored, after which a sliding coating is applied.

Wie Motorversuche gezeigt haben, kann durch eine Gleitschicht zwar die Reibung stark herabgesetzt werden, jedoch bleibt die dynamische Bewegung erhalten, was sich in einem starken Abrieb der Beschichtungen bemerkbar macht.As engine tests have shown, a sliding layer can Although the friction is greatly reduced, the dynamic remains Get movement, which results in a strong abrasion of the coatings noticeable.

Bei Weichstoffdichtungen ist es bekannt, vgl. DE-AS 12 64 902, auf der Oberfläche von diesen einen feinkörnigen Hartstoff etwa aus Ko rund oder Quarz anzuordnen, wobei die angeklebten oder teilweise einge betteten Hartstoffkörner den Reibungswiderstand erheblich erhöhen sol len, um ein Herausschieben der Dichtung aus der Dichtfuge zu verhindern, wenn die erforderliche Mindestflächenpressung nicht erreicht wird.It is known for soft material seals, cf. DE-AS 12 64 902, on the surface of these a fine-grained hard material from Ko Arrange round or quartz, with the glued or partially turned on embedded hard material grains should significantly increase the frictional resistance len to prevent the seal from sliding out of the sealing joint, if the required minimum surface pressure is not reached.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zylinderkopfdichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die es ermöglicht, den durch Relativbewegungen parallel zur Dichtungsoberfläche, durch Schwin gungen hervorgerufen, bewirkten Verschleiß wesentlich zu vermindern und die Qualität der Abdichtung über einen entsprechend langen Zeitraum zu gewährleisten. The object of the invention is to provide a cylinder head gasket to create the preamble of claim 1, which enables the by relative movements parallel to the sealing surface, by Schwin conditions, significantly reduce wear and tear the quality of the seal over a correspondingly long period of time guarantee.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.This task is performed according to the characteristic part of the Claim 1 solved.

Wie sich überraschenderweise herausgestellt hat, erfolgt der festgestellte starke Abrieb der Beschichtungen und der dadurch bewirkte Reibverschleiß im wesentlichen nicht durch Gleitreibung aufgrund von un terschiedlicher thermischer Ausdehnung der gegeneinander abzudichtenden Bauteile, sondern durch einen Schwingungsreibverschleiß aufgrund von Schwingungen, die durch das aufeinanderfolgende Zünden und Expandieren des Brennstoffgemisches in den Zylindern bewirkt wird. Derartige Schwin gungen besitzen eine sehr kleine Amplitude in der Größenordnung von et wa 2 µm. Um dem entgegenzuwirken, wird erfindungsgemäß dadurch, daß die Reibung, anstatt sie wie bisher herabzusetzen, erhöht wird, der Reibver schleiß deutlich verringert. Hierbei erfolgt das Erhöhen der Reibung durch entsprechende Füllung der zur Mikroabdichtung dienenden Außenbe schichtung unter Verwendung eines hartkörnigen Füllstoffs, indem eine entsprechende Oberflächenrauhigkeit durch die Körner des Füllstoffs auf der Dichtungsaußenseite erzeugt wird. Hierbei wirken die in polymerem Bindemittel eingebetteten Füllstoffkörner der Schwingung dadurch entge gen, daß sie durch das Einspannen der Dichtung aufeinandergepreßt wer den, wodurch die innere Elastizität der Außenbeschichtung verringert wird. Es verbleibt aber genügend Weichheit und Anpassungsfähigkeit, da mit die gewünschte Mikroabdichtung bewirkt werden kann.As has surprisingly been found, the detected strong abrasion of the coatings and the resulting Frictional wear essentially not due to sliding friction due to un Different thermal expansion of the to be sealed against each other Components, but due to vibrational friction wear due to Vibrations caused by the sequential ignition and expansion of the fuel mixture is effected in the cylinders. Such a swine gung have a very small amplitude in the order of et wa 2 µm. To counteract this, the invention is characterized in that the Friction, instead of increasing it as before, increases the friction wear significantly reduced. This increases the friction by appropriate filling of the outer seal serving for micro sealing layering using a hard grain filler by adding a Corresponding surface roughness due to the grains of the filler the seal outside is generated. Here act in polymer Binder-embedded filler grains counteract the vibration conditions that they are pressed together by clamping the seal which reduces the internal elasticity of the outer coating becomes. But there remains enough softness and adaptability, because with the desired micro-seal can be achieved.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.Further refinements of the invention are as follows Description and the dependent claims.

Als Füllstoff eignet sich vorzugsweise ein solcher mit einer Mohs'schen Härte von wenigstens 4, insbesondere wenigstens 6. Der Füll stoff kann beispielsweise aus einem oder mehreren Metallsilikaten und/oder Metalloxiden bestehen. Hier kommen insbesondere Quarz, Korund, Feldspat oder andere Aluminiumoxide, vorzugsweise Elektrokorund, Dia mant, Glas in Frage. Die Körnung des Füllstoffs liegt zweckmäßigerweise hauptsächlich zwischen etwa 5 µm und etwa der halben Stärke der Mikroab dichtungsschicht. Die Mikroabdichtungsschicht ist stark gefüllt und ent hält wenigstens 50 Gew.-Teile Füllstoff auf 100 Gew.-Teile polymeres Bindemittel. A filler with one is preferably suitable Mohs hardness of at least 4, especially at least 6. The filling For example, material can consist of one or more metal silicates and / or Metal oxides exist. Quartz, corundum, Feldspar or other aluminum oxides, preferably electro-corundum, slide mant, glass in question. The grain size of the filler is expediently mainly between about 5 µm and about half the thickness of the microab sealing layer. The micro-sealing layer is heavily filled and ent holds at least 50 parts by weight of filler per 100 parts by weight of polymer Binder.

Die gefüllte Mikroabdichtungsschicht wird zweckmäßigerweise in einer Stärke von etwa 10 bis 50 µm, insbesondere 15 bis 30 µm, aufgetra gen. Die Mikroabdichtungsschicht kann als polymeres Bindemittel ein Ela stomer, vorzugsweise einen Thermoplast mit einem Erweichungspunkt < 250°C, insbesondere zwischen 300 und 330°C, enthalten. Für diese Schicht kommen beispielsweise Fluorelastomere (FPM), Nitrilbutadienkautschukela stomere (NBR), Siliconkautschuk (MVQ) oder Hartwachse, wie oxidierte Po lyethylenwachse mit hoher Erweichungstemperatur in Frage.The filled micro-sealing layer is expediently in a thickness of about 10 to 50 microns, especially 15 to 30 microns, applied The micro-sealing layer can be a Ela as a polymeric binder stomeric, preferably a thermoplastic with a softening point <250 ° C, in particular between 300 and 330 ° C, included. For this layer come for example fluoroelastomers (FPM), nitrile butadiene rubber stomers (NBR), silicone rubber (MVQ) or hard waxes, such as oxidized Po polyethylene waxes with a high softening temperature in question.

Die gefüllte Mikroabdichtungsschicht wird partiell zumindest im Bereich um die wenigstens eine Brennkammeröffnung herum etwa mit tels Siebdruck oder ganzflächig etwa durch Spritzen, Gießen, Walzenbe schichtung aufgetragen und bei hierfür geeigneten Temperaturen gehär tet.The filled micro-sealing layer becomes at least partially in the area around the at least one combustion chamber opening By means of screen printing or over the entire surface, for example by spraying, pouring, rolling layered and hardened at suitable temperatures tet.

Insbesondere handelt es sich bei der Zylinderkopfdichtung um eine solche mit wenigstens einem gesickten Deckblech als Funktionsblech und mit einer Zwischenlage, die einen Verformungsbegrenzer für die je weilige um eine Brennkammeröffnung umlaufende Sicke des Deckblechs bil det, wobei der Scheitel der Sicke insbesondere vom benachbarten Bauteil (Zylinderkopf oder -block) abgewandt ist. Hierbei kann das Deckblech beidseitig oder nur außenseitig mit der gefüllten Mikroabdichtungs schicht beschichtet sein, wobei in letzterem Fall eine ungefüllte Mikro abdichtungsschicht an der Innenseite des Deckblechs vorgesehen sein kann.In particular, the cylinder head gasket is one with at least one corrugated cover plate as a functional plate and with an intermediate layer that a deformation limiter for each because of a bead around the combustion chamber opening of the cover plate bil det, the apex of the bead in particular from the adjacent component (Cylinder head or block) is facing away. Here, the cover plate filled on both sides or only on the outside with the micro-sealing be coated layer, in the latter case an unfilled micro sealing layer may be provided on the inside of the cover plate can.

Das in Fig. 1 ausschnittweise im Schnitt dargestellte Ausfüh rungsbeispiel einer Zylinderkopfdichtung umfaßt ein Deckblech 1 als Funktionslage zur Abdichtung des Spaltes zwischen Zylinderblock und -kopf einer Brennkraftmaschine. Die Dichtung weist ein oder mehrere in Reihe nebeneinander angeordnete Öffnungen 2 entsprechend den Brennräumen der zugehörigen Brennkraftmaschine (sowie nicht dargestellte Schrauben durchtrittslöcher und Durchtrittsöffnungen für Kühlwasser bzw. Öl) auf. Mit Abstand zur jeweiligen Öffnung 2 ist in dem Deckblech 1 eine Sicke 3 um die zugehörigen Öffnung 2 umlaufend vorgesehen, die als Federelement zur dynamischen Abdichtung des Spaltes zwischen Zylinderblock und -kopf dient. Zum Schutz der Sicke 3 ist ein überhöhungsabschnitt 4 um den Rand der Öffnung 2 umlaufend vorgesehen, der, wie dargestellt, durch einen umgefalzten Blechabschnitt oder durch einen separaten, entsprechend etwa durch Schweißen befestigten Ring gebildet wird. Zusätzlich kann, wie dargestellt, ein Trägerblech 5 auf der in diesem Ausführungsbeispiel zum Zylinderblock gewölbten Seite der Sicke 3 angeordnet sein, das bei die sem Ausführungsbeispiel radial auswärts von der Sicke 3 endet.The example shown in Fig. 1 in section Ausfüh approximately a cylinder head gasket comprises a cover plate 1 as a functional layer for sealing the gap between the cylinder block and head of an internal combustion engine. The seal has one or more openings 2 arranged in a row next to one another corresponding to the combustion chambers of the associated internal combustion engine (as well as through holes and through openings for cooling water or oil, not shown). At a distance from the respective opening 2 , a bead 3 is provided around the associated opening 2 in the cover plate 1, which bead serves as a spring element for the dynamic sealing of the gap between the cylinder block and cylinder head. To protect the bead 3 , an elevation section 4 is provided all around the edge of the opening 2 , which, as shown, is formed by a folded sheet metal section or by a separate ring, which is fastened, for example, by welding. In addition, as shown, a carrier plate 5 can be arranged on the side of the bead 3 which in this exemplary embodiment is curved toward the cylinder block and which ends radially outward from the bead 3 in this exemplary embodiment.

Der Bereich des Überhöhungsabschnitts 4 ist hierbei an der dem Zylinderkopf zugewandten Seite mit einer gefüllten Mikroabdichtungs schicht 6 versehen, so daß durch Einspannen der Zylinderkopfdichtung in diesem Bereich eine hohe Reibung erzeugt wird, die trotz der Sickenbewe gung eine Horizontalbewegung des Überhöhungsabschnitts 4 verhindert. Zu sätzlich kann auch die dem Zylinderblock zugewandte Seite des Überhö hungsabschnitts 4 eine gefüllte Mikroabdichtungsschicht 6 tragen.The area of the cantilever section 4 is provided on the side facing the cylinder head with a filled micro-sealing layer 6 , so that a high friction is generated in this area by clamping the cylinder head gasket, which prevents a horizontal movement of the cantilever section 4 despite the bead movement. In addition, the side of the camber section 4 facing the cylinder block can also carry a filled micro-sealing layer 6 .

Der verbleibende Bereich des Deckblechs 1 kann ein oder beid seitig mit einer ungefüllten Mikroabdichtungsschicht versehen sein (nicht dargestellt), die dem jeweiligen Bauteil (Zylinderblock oder -kopf) in Eingriff kommende Seite des Deckblechs 1 kann aber auch ganz flächig mit der Mikroabdichtungsschicht 6 versehen sein, wie es bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform einer Zylinderkopfdichtung dar gestellt ist. Hierbei wird das Deckblech 1 beidseits der Sicke 3 fest eingespannt, so daß sich die Sicke 3 entsprechend verformen muß.The remaining area of the cover plate 1 can be provided on one or both sides with an unfilled micro-sealing layer (not shown), but the side of the cover plate 1 that comes into engagement with the respective component (cylinder block or head) can also be provided with the micro-sealing layer 6 over the entire area , as it is in the embodiment of a cylinder head gasket shown in FIG . Here, the cover plate 1 is firmly clamped on both sides of the bead 3 , so that the bead 3 must deform accordingly.

Bei der in Fig. 2 ausschnittweise und im Schnitt dargestellten Ausführungsform sind zwei Deckbleche 1 spiegelsymmetrisch zueinander un ter Zwischenschaltung eines Zwischenelements in Form eines Trägerblechs 5 vorgesehen, wobei am Zwischenelement der überhöhungsabschnitt 4 ausge bildet ist.In the embodiment shown in detail and in section in FIG. 2, two cover plates 1 are mirror-symmetrical to one another and an intermediate element in the form of a carrier plate 5 is provided, the elevation section 4 being formed on the intermediate element.

Auch bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ist es möglich, nur den Bereich zwischen der Öffnung 2 und der diese umgebenden Sicke 3 mit der gefüllten Mikroabdichtungsschicht 6 zu versehen.In the embodiment of FIG. 2, too, it is possible to provide the filled micro-sealing layer 6 only in the area between the opening 2 and the bead 3 surrounding it.

Claims

1. Metallic cylinder head gasket for internal combustion engines with at least one sheet ( 1 ) having an outer surface that can be brought into close contact with an adjacent component and has at least one passage opening ( 2 ), in particular combustion chamber opening, the outer surface of the at least around the passage opening ( 2 ) Sheet ( 1 ) is provided with a micro-sealing layer ( 6 ), characterized in that the micro-sealing layer ( 6 ) is heavily filled at least around the passage opening ( 2 ) with a filler made of hard grains embedded in polymeric binder.

2. Cylinder head gasket according to claim 1, characterized net that the filler has a Mohs hardness of at least 4, in particular which has at least 6.

3. Cylinder head gasket according to claim 1 or 2, characterized ge indicates that the filler consists of one or more metal silicates and / or metal oxides.

4. Cylinder head gasket according to one of claims 1 to 3, characterized in that the micro-sealing layer ( 6 ) as a polymeric binder contains an elastomer, preferably a thermoplastic with a softening point <250 ° C, in particular between 300 and 330 ° C.

5. Cylinder head gasket according to one of claims 1 to 4, characterized in that the grain size of the filler is mainly between about 5 microns and about half the thickness of the micro-sealing layer ( 6 ).

6. Cylinder head gasket according to one of claims 1 to 5, characterized in that the micro-sealing layer ( 6 ) contains at least 50 parts by weight of filler per 100 parts by weight of polymeric binder.

7. Cylinder head gasket according to one of claims 1 to 6, characterized in that the micro-sealing layer ( 6 ) has a thickness of about 10 to 50 µm, in particular 15 to 30 µm.

8. Cylinder head gasket according to one of claims 1 to 7, characterized in that the sheet ( 1 ) carrying the micro-sealing layer ( 6 ) is a cover sheet which has at least one combustion chamber opening ( 2 ) with a bead ( 3 ) surrounding it.

9. Cylinder head gasket according to claim 8, characterized in that the cover plate ( 1 ) on the side facing away from the adjacent component carries an optionally filled micro-sealing layer ( 6 ).