DE19753862A1 - Zylinderkopfdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zylinderkopfdichtung, insbesondere eine Metall-laminierte Zylinderkopfdichtung für eine Brenn­ kraftmaschine.

Dichtungen werden verwendet zum Abdichten zwischen zusammen­ gehörenden mechanischen Komponenten. Bei einem bekannten Anwendungsfall wird eine Dichtung zwischen dem Motorblock und dem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeordnet. Zylinderkopf­ dichtungen erstrecken sich gewöhnlich um Zylinderbohrungen, um gegen die heißen Verbrennungsgase in den Zylindern abzudichten. Gleichzeitig dichten diese Dichtungen ab gegen Fluidbohrungen, zum Beispiel Kühlmittelbohrungen und Ölbohrungen, um eine unerwünschte Mischung zu verhindern. Eine Zylinderkopfdichtung muß die Belastung durch die Schraubverbindung der mechanischen Komponenten aushalten und sie stützt sich auf dieser Belastung ab, um eine Abdichtung gegen die Verbrennungsgase und die Fluidströmungen zu bewirken.

In einer Metall-laminierten Dichtung für eine Brennkraftmaschine besteht die Dichtung aus einer Mehrzahl von zusammenlaminierten Metallplatten. Die Metallplatten schaffen eine strukturelle Abstützung innerhalb der Verbindung zwischen dem Zylinderkopf und dem Motorblock und sie bieten auch eine radiale Festigkeit gegen ein Ausblasen der Dichtung infolge des Druckes in der Ver­ brennungskammer.

Bekannte Dichtungen verwenden verschiedene Typen von Verbren­ nungsdichtungen. Eine Art, bekannt als Flanschdichtring, besteht im wesentlichen aus einem Draht, der allgemein einen kreisförmi­ gen Querschnitt hat. Der Draht kann eingesetzt werden in ein offenes Ende eines O-förmigen Flansches, wobei gegenüberliegende Schenkel des Flansches in Eingriff treten mit gegenüberliegenden Flächen eines Hauptdichtungskörpers um die Verbrennungsbohrung herum. Eine Spannkraft wird auf die Flanschabschnitte der Dichtung am Kontaktpunkt aufgebracht, wodurch der Umfang des Rings verformt wird, um gegen die Verbrennungsgase abzudichten. Bei einer solchen Ausführung ist die Spannkraft, die erforderlich ist zur Abdichtung gegen die Brenngase typischerweise höher, weil die Kraft zwischen dem Ring und dem Flansch verteilt ist, und sie kann eine unerwünschte Dichtungs- und Motorblockverformung fördern. Ferner sind die Flanschöffnung und der separate Drahtring thermischer Verformung ausgesetzt, die eine zusätzliche plastische Verformung erzeugt, die während der Lebensdauer des Ringes bei Hochtemperaturbetrieb auftreten kann. Eine thermische Verformung kann zu einem vorzeitigen Ausfallen der Dichtung führen. Der Flansch selbst kann ebenfalls längs der U-förmigen Biegungen ausfallen wegen Kompressions-Ermüdung und Umgebungs­ bedingungen.

Bei einem anderen Dichtungstyp wird ein schwimmender, nachgiebi­ ger Ring separat von der Dichtung eingebaut. Dieser Ring ist in einem Kanal um die Brennkammeröffnung angeordnet. Eine auf einen solchen Ring aufgebrachte Kraft ist im Kontaktpunkt konzentriert und verformt den Umfang des Ringes, um dadurch gegen die Brenngase abzudichten. Ein solcher Dichtungsring muß aber separat installiert werden und er kann wandern, ehe er der Spannbelastung ausgesetzt wird, was zu einer schlechten Abdichtung führen kann. Ferner muß die Nut zur Aufnahme des Dichtringes separat im Motorblock ausgebildet werden, wodurch die Herstellung der Dichtung komplizierter wird.

Die Erfindung betrifft nun eine Zylinderkopfdichtung für eine Brennkraftmaschine, die wenigstens eine Zylinderbohrung hat. Die Dichtung ist eingespannt zwischen einem Zylinderkopf und einem Motorblock. Sie betrifft insbesondere eine mehrschichtige Metallzylinderkopfdichtung mit einem nachgiebigen Dichtungsring um eine Brennkammeröffnung in Verbindung mit Dichtungswülsten auf der Oberfläche von Platten, die radial auswärts von dem nachgie­ bigen Dichtungsring liegen.

Eine Verbrennungsabdichtung für die Zylinderkopfdichtung umfaßt eine zentrale Trägerplatte mit wenigstens zwei Oberflächen­ platten, die an gegenüberliegenden Seiten der zentralen Träger­ platte angeordnet sind. Die Oberflächenplatten haben einen Wulstabschnitt, der ringförmig um die Verbrennungsbohrungen verläuft. Ein nachgiebiger Verbrennungsdichtring ist radial einwärts von den Wulstabschnitten angeordnet und verläuft längs einem inneren Umfangsrand der Verbrennungsöffnung, die in der Mehrschichtdichtung ausgebildet ist. Der nachgiebige Ring ist längs des Innenumfangs an einer diskreten Anzahl von höher liegenden Punkten mittels eines elastomeren Klebstoffes oder durch Schweißen befestigt. Die Befestigungsstellen behalten vorzugsweise einen Luftspalt bei zwischen dem Außenumfang des Ringes und dem Innenumfang der Verbrennungsbohrung vor dem Einbau der Dichtung.

Die erfindungsgemäße Dichtung bietet besondere Vorteile, wenn sie in Hochleistungsdieselmotoren verwendet wird, die eine Gußeisen­ auskleidung haben, die über den Motorblock übersteht. Wenn ein Motor zusammengebaut wird, wird die Dichtung zwischen dem Motorzylinderkopf und dem Motorblock eingebaut derart, daß der nachgiebige Dichtungsring um die Brennkammer angeordnet ist. Wenn die Schrauben, welche den Zylinderkopf und den Motorblock verbinden, angezogen werden, nimmt die auf die Dichtung ausgeübte Belastung zu. Da der nachgiebige Dichtungsring eine Dicke hat, die größer ist als die Dicke der mehreren Schichten angrenzend an die Brennkammerbohrung, wird ein höherer Oberflächendruck auf den nachgiebigen Dichtungsring erzeugt, was zu höheren Dichtungs­ belastungen um die Brennkammer führt. Da ferner der Dichtungsring nachgiebig ist, verformt er sich und paßt sich Veränderungen zwischen den Dichtflächen an, insbesondere an der Zylinderaus­ kleidung, was zu einer besonders dichten Abdichtung führt. Wenn sich der Ring verformt, füllt er die Lücke zwischen dem Außen­ umfang des Ringes und dem Innenumfang der Brennkammerbohrung n der Dichtung aus. Die Belastung beim Einbau kann die lokalen Verbindungspunkte bzw. Befestigungspunkt aufbrechen. Der Ring verformt sich jedoch und gelangt in direkten Kontakt mit dem Innenumfang der Brennkammeröffnung in der Dichtung, wobei er eine radiale Abstützung von den mehreren Schichten der Zylinderkopf­ dichtung empfängt.

Der Wulstabschnitt der Dichtung, der um die Brennkammeröffnung radial auswärts von dem nachgiebigen Dichtungsring angeordnet ist, wird im wesentlichen abgeflacht und bildet eine sekundäre Abdichtung gegen die Verbrennungsgase und er verhindert, daß das Motorkühlmittel in die Brennkammer eindringt.

Der Transport der erfindungsgemäßen Dichtung wird vereinfacht, weil der Dichtungsring direkt mit der Trägerplatte verbunden ist. Diese Verbindungen fixieren den Ring in vorgegebenen Abständen relativ zur Trägerplatte. Der Einbau der Trägerplatte bringt ebenfalls den Dichtring relativ zur Trägerplatte in die gewünsch­ te Position ohne teure Bearbeitung des Motorblocks. Ferner sind andere Mittel zur Befestigung des Rings an der Trägerplatte, wie zum Beispiel ein U-förmiger Flansch, nicht erforderlich. Da die Brennkammerdichtung ein einzelnes Stück ist, wird die Spann­ belastung zur Schaffung der gewünschten Abdichtung stark reduziert im Vergleich zu konventionellen Dichtungen. Niedrigere Spannkräfte reduzieren die Verformung der Bohrungen und verbes­ sern das Motor-Verhalten.

Beispielsweise Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dichtung werden nachfolgend an Hand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 perspektivisch eine erfindungsgemäße Metalldichtung zeigt.

Fig. 2 im Schnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1 einen Teil der Dichtung im entlasteten Zustand zeigt.

Fig. 3 vergrößert das in Fig. 2 durch den Kreis 3, 4 umran­ dete Detail zeigt.

Fig. 4 vergrößert das in Fig. 2 durch den Kreis 3, 4 umran­ dete Detail an einer anderen Umfangsstelle um die Brennkammerbohrung zeigt.

Fig. 5 im Schnitt die Dichtung nach Fig. 2 eingebaut zwi­ schen einem Zylinderkopf und einem Motorblock zeigt.

In den Fig. 1 bis 4 ist eine Zylinderkopfdichtung 10 in entlastetem Zustand dargestellt. Wie Fig. 1 zeigt, umfaßt die Dichtung 10 eine Mehrzahl von Brennkammeröffnungen 11 in Verbindung mit Schraublöchern 12 und Service-Löchern 13. Die Löcher 13 ermöglichen den Zufluß von Schmiermittel oder Kühl­ mittel zwischen dem Zylinderkopf und dem Motorblock. Um die Zylinderbohrungen einer Brennkraftmaschine abzudichten, hat die Dichtung 10 einen ringförmigen, nachgiebigen Dichtring 14 in Verbindung mit Wulsten 15, wobei der Ring 14 radial einwärts von den Wulsten 15 liegt.

Der Aufbau der Dichtung 10 um die Brennkammer ist in Fig. 2 im Detail dargestellt. Die Dichtung 10 hat eine zentrale Träger­ platte 20 und wenigstens zwei Oberflächenplatten 21 und 22, die an gegenüberliegenden Seiten der zentralen Trägerplatte 20 liegen. Die Platte 21 ist auf eine obere Oberfläche der zentralen Trägerplatte 20 auflaminiert, während die Platte 22 auf eine untere Oberfläche der zentralen Trägerplatte 20 auflaminiert ist. Die Oberflächenplatten 21, 22 haben einen auswärtsverlaufenden Wulstabschnitt 23, der ringförmig um die Verbrennungsöffnung verläuft und die auswärtsverlaufenden Wulste 15 bildet. Der Ring 14 hat eine Dicke t1, die größer ist als eine entsprechende Dicke t2 von Trägerplatte 20 und Oberflächenplatten 21 und 22, die an die Brennkammeröffnung 21 angrenzen und einen inneren Umfangsrand 24 bilden.

Wie die Fig. 3 und 4 zeigen, ist der Ring 14 mit dem Umfangs­ rand 24 der Verbrennungsöffnung 11 verbunden an einer diskreten Anzahl von hochliegenden Punkten mit Hilfe eines Klebstoffes oder einer Schweißung 25. Die Verbindungsstellen behalten vorzugsweise einen Luftspalt G zwischen einem Außenumfang 26 der Dichtung 14 und dem Rand 24 bei, vor dem Einbau der Dichtung, wie Fig. 4 am besten zeigt. Vorzugsweise sind die Verbindungspunkte 25 zwischen dem Ring 14 und dem Rand 24 längs des Umfanges der Brennkammer­ bohrung gleich beabstandet. Die Anzahl der Verbindungspunkte ist zweckmäßigerweise nicht kleiner als drei und nicht mehr als zehn. Besonders bevorzugt werden etwa sechs Verbindungspunkt 25. Die Größe des Spaltes G ist eine direkte Funktion der Verbindungs­ punkte 25. Diese Größe variiert abhängig von der Motorkon­ struktion, weil der Spalt G eine gute Kompression der Dichtung 14 ermöglicht. Wie Fig. 5 zeigt, sollte bei geeigneter Kom­ pression des Dichtringes 14 der Spalt G im wesentlichen ver­ schwinden, trotz der Existenz der Verbindungspunkte 25. Da die Verbindungspunkte 25 hoch angeordnet sind, hat der größere Teil des Außenumfanges des Ringes 14 keinen Kontakt mit den Ver­ bindungspunkten 25. Der Spalt G verschwindet insbesondere, wenn der Ring 14 zwischen einem Zylinderkopf 30 und einem Motorblock 31 zusammengepreßt wird. Wenn die Dichtung 10 an Ort und Stelle zwischen dem Kopf 30 und dem Block 31 eingespannt wird, berührt der Ring 14 den Zylinderkopf und den Motorblock zuerst, weil er eine größere Dicke hat, was zu einer hohen Spannkraft führt. Wegen der hohen Spannkraft bewirkt der Ring 14 ein sehr hohes Abdichtungsniveau. Da ferner der Ring 14 von Natur aus nachgiebig ist, verformt er sich und paßt sich an kleine Veränderungen der angrenzenden Zylinderauskleidung (nicht gezeigt) sowie an Veränderungen zwischen den Dichtungsflächen an, was eine bessere Dichtwirkung zur Folge hat.

Wenn der Ring 14 zusammengepreßt wird, erweitert sich der Außenumfang des Ringes 14, um den Spalt G auszufüllen, wodurch ein direkter Kontakt zwischen dem Außenumfang des Ringes 14 und dem Rand 24 geschaffen wird. Die Verbindungsstellen 25 können beim Zusammenpressen reißen, da der Ring 14 sich verformt, um einen direkten Kontakt mit dem Innenumfang 24 der Brennkammer­ öffnung der Dichtung zu schaffen. Das Reißen der Verbindungs­ stellen 25 nach dem Einbau der Dichtung beeinflußt aber die Integrität der Verbrennungsdichtung nicht. Nach dem Einbau wird der Ring 14 durch den Rand 24 radial abgestützt, wodurch der Widerstand gegen ein Ausblasen der Dichtung infolge der hohen Verbrennungsdrücke im Motor erhöht wird.

Der Aufbau der Dichtung 10 hängt in weiterem Umfang von dem speziellen Anwendungsfall ab und er kann in verschiedener Weise ausgeführt sein. Beispielsweise können die Anzahl der Platten, die Auswahl des Materials und die Lage der Wulste sämtlich Funktionen einer speziellen Motorkonstruktion sein, und sie können daher entsprechend variiert werden. In manchen Fällen kann die Dicke des Ringes 14 reduziert werden auf eine Dicke, die kleiner ist als die kombinierte Dicke der Trägerplatte 20 und der Wulste 15 der Platten 21 und 22. Die Dicke des Ringes 14 kann auch auf weniger als die Dicke t2 der Trägerplatte 20 und der Trägerplatten 21, 22 reduziert werden zur Anpassung an Vorsprünge in der Zylinderauskleidung.

Die Zusammensetzung des nachgiebigen Verbrennungsringes ist ebenfalls eine Funktion der Motorkonstruktion. Der Ring 14 kann zweckmäßigerweise aus Metall bestehen, zum Beispiel aus Kohlen­ stoffstahl, rostfreiem Stahl, Beryllium-Kupferlegierungen oder anderen Materialien, welche die erforderlichen Materialeigen­ schaften haben. Allgemeine jedoch bestehen die Trägerplatte 20 und die Oberflächenplatten 21, 22 aus einem festeren Material als der Ring 14. Ein bevorzugtes Material ist Stahl.

Da ferner der Dichtring 14 längs eines inneren Umfangsrandes 14 an der Dichtung 10 befestigt ist, sind keine weiteren oder alternativen Befestigungsmittel erforderlich, wie zum Beispiel einem U-förmigen Flansch, ohne daß die Transportierbarkeit der zusammengebauten Dichtung beeinträchtigt wird. Anstatt eines separaten Dichtungsringes, der beim Einbau hinzugefügt wird, bleibt der Ring 14 bereits vor dem Einbau an der Trägerplatte 20 befestigt und kann mit dieser transportiert werden. Die Position des Ringes 14 vor dem Einbau ist fixiert durch die Verbindungs­ punkte 25 in vorgegebenen Abständen relativ zur Trägerplatte 20. Durch den Einbau der Trägerplatte 20 wird auch der Dichtring 14 relativ zur Trägerplatte korrekt eingebaut ohne teure maschinelle Bearbeitung des Zylinderblockes und ohne Verwendung eines O-för­ migen Flansches. Da ferner die Dichtung 14 keinen U-förmigen Flansch benötigt, kann die Spannbelastung, die für die gewünschte Abdichtung erforderlich ist, stark reduziert werden im Vergleich mit konventionellen Zylinderkopfdichtungen, die größere Spann­ belastungen erfordern, um die gewünschte Dichtwirkung zu erreichen. Kleinere Spannkräfte reduzieren eine etwaige Ver­ formung der Bohrungen und verbessern das Motorverhalten.

Claims (18)

1. Zylinderkopfdichtung für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Zylinderbohrung, gekennzeichnet durch
eine zentrale Trägerplatte, die eine obere und eine untere Oberfläche hat,
sowie einen nachgiebigen Draht-Dichtring mit einem radial äußeren Umfang, wobei der Draht-Dichtring direkt mit der Trägerplatte um die Zylinderbohrung verbunden ist, wenn die Zylinderkopfdichtung in einem entlasteten Zustand ist.

2. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verbindung begrenzt ist auf eine Mehrzahl von lokalen Punkten längs des radialen Außenumfangs.

3. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verbindung durch ein Elastomer oder durch eine Schweißung gebildet ist.

4. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Außenumfang so dimensioniert ist, daß ein Spalt verbleibt zwischen diesem Außenumfang und der Zylinderboh­ rung, wenn die Dichtung in einem entlasteten Zustand ist.

5. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß diese Punkte längs des radial äußeren Umfangs gleichmäßig in Umfangsrichtung beabstandet sind.

6. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Anzahl dieser Befestigungspunkte etwa drei bis zehn beträgt.

7. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß etwas sechs Verbindungspunkte vorgesehen sind.

8. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Dichtung eine obere Platte und eine untere Platte aufweist, daß die Trägerplatte und diese Platten einen radial inneren Rand haben, der die Zylinderbohrung bildet, daß ferner die obere Platte auf die obere Fläche der Trägerplatte auflaminiert ist und daß die untere Platte auf die untere Oberfläche der Trägerplatte auflaminiert ist, und daß diese Platten Wulst-Abschnitte aufweisen, die radial auswärts dieses inneren Randes liegen.

9. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Dichtring eine Dicke hat, die größer ist als die kombinierte Dicke dieser Platten.

10. Zylinderkopfdichtung für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Zylinderbohrung, gekennzeichnet durch eine zentrale Trägerplatte, die eine obere und eine untere Oberfläche hat, sowie durch einen nachgiebigen Draht- Dichtring, der einen radial äußeren Umfang und eine Dicke hat, die größer ist als die Dicke der Trägerplatte, und daß der Draht-Dichtring direkt mit der Trägerplatte um die Zylinderbohrung verbunden ist, wenn die Dichtung sich in einem entlasteten Zustand befindet.

11. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese Verbindung begrenzt ist auf eine Mehrzahl von lokalen Punkten längs dieses radialen äußeren Umfangs.

12. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese Verbindung aus einem Elastomer oder einer Schweißung gebildet ist.

13. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Außenumfang so dimensioniert ist, daß ein Spalt zwischen dem Außenumfang und dem inneren Rand ver­ bleibt, wenn die Dichtung entlastet ist.

14. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese Punkte längs des Außenumfangs in Umfangsrichtung gleich beabstandet sind.

15. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zahl der Verbindungspunkte zwischen drei und zehn beträgt.

16. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß etwa sechs Verbindungspunkte vorgesehen sind.

17. Zylinderkopfdichtung für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Zylinderbohrung, gekennzeichnet durch eine zentrale Trägerplatte, die eine obere und eine untere Oberfläche hat, eine obere Platte und eine untere Platte, wobei die Trägerplatte und diese Platten einen radial inneren Rand haben, der die Zylinderbohrung bildet, ferner daß die obere Platte auf die obere Oberfläche der Träger­ platte und die untere Platte auf die untere Oberfläche der Trägerplatte auflaminiert sind, daß ferner die obere Platte und die untere Platte in Verbindung mit der Trägerplatte eine Dicke der Zylinderkopfdichtung definieren längs dieses radial inneren Randes, daß diese Platten Wulstabschnitte aufweisen, die radial auswärts von diesem inneren Rand liegen, ferner durch einen nachgiebigen Draht-Dichtungsring, der einen radial äußeren Umfang und eine Dicke hat, die größer ist als die Dicke dieser Platten, daß ferner der Außenumfang so dimensioniert ist, daß ein Spalt verbleibt zwischen diesem Außenumfang und der Zylinderbohrung, wenn die Dichtung entlastet ist, daß der Draht-Dichtring direkt mit der Zylinderbohrung verbunden ist, wenn die Dichtung entlastet ist, und daß diese Verbindung auf eine Mehrzahl von lokalen Punkten längs dieses radial äußeren Umfanges begrenzt ist, und diese Verbindungspunkte in gleichmäßigen Umfangsabständen um diesen radial äußeren Umfang angeordnet sind.

18. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich­ net, daß diese Verbindung durch ein Elastomer oder eine Schweißung gebildet ist.