DE2112823A1

DE2112823A1 - Dichtungsanordnung zur Brenngasabdichtung,insbesondere an Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE2112823A1
Application number: DE19712112823
Authority: DE
Inventors: Bailey John Maxwell
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1970-04-06
Filing date: 1971-03-17
Publication date: 1971-10-21
Also published as: GB1329497A; US3628427A; BE765285A; CA946016A; BR7101962D0

Description

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CATERPILLAR TRACTOR CO. Peoria, Illinois 61602, USA

Dichtungsanordnung zur Brenngasabdichtung, insbesondere an Verbrennungskraftmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung zur Brenngasabdichtung zwischen den den Brennraum insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine definierenden Teilen, die an mindestens einer Dichtstelle über Dichtflächen miteinander in metallischem Dichtkontakt stehen.

Im allgemeinen werden zur Abdichtung gegen den Durchtritt von Brenngasen zwischen dem. Zylinderblock oder den Zylinderbüchsen und dem zugehörigen Zylinderkopf Dichtelemente vorgesehen und verspannt, deren Abdichtwirkung von der Verspannung und diese wiederum von dem Anzugsdrehmoment abhängig sind, mit dem die Zylinderkopfschrauben angezogen werden. Auf Grund der zunehmenden Maschineneinheitsleistungen ist die Abdichtung zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinderblock immer schwieriger geworden und hat zu einer ständigen Vergrößerung der Anzugsdrehmomente bei der Befestigung des Zylinderkopfes am Zylinderblock geführt, um eine ausreichende Dichtwirkung zu gewährleisten. Diese zu-

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nehmenden Anzugsdrehmomente verursachen jedoch größere Spannungen in den Planschen der Zylinderbüchsen und den Dichträndern, die sehr häufig zu Rissen in den Zylinderbüchsen oder dem Zylinderblock führen. JjJs sind-daher zur Vermeidung solcher Schaden verschiedene Dichtanordnungen entwickelt v/orden, die eine ausreichende Dichtwirkung bei gleichzeitiger Begrenzung der auf die Zylinderbüchsen einwirkenden Dichtkräfte gewährleisten sollen.

Bei einer dieser Dichtungsanordnungen ist eine dünnwandige, unmittelbar am Zylinderblock angegossene Büchse vorgesehen, die die Zylinderbüchse "so abstützt, daß diese unmittelbar am Zylinderkopf zur Anlage kommt und einen innigen metallischen Dichtungskontakt zu diesem herstellt. Dabei ist zwischen der dünnwandigen Büchse des Zylinderblocks und der Zylinderbüchse ein nachgiebiges Abstandselement vorgesehen, um die Notwendigkeit einer gesonderten Montage zu vermeiden. Die Abdichtung der Brenngase erfolgt mittels eines verformbaren, in seiner Form anpaßbaren und nachgiebigen Dichtelementes, das in eine Eingnut in der oberen Stirnseite der Zylinderbüchse eingesetzt und darin verspännt ist. Bei dieser und noch weiteren Anordnungen besteht somit einerseits ein inniger metallischer Dichtungskontakt zwischen den aneinander liegenden Dichtflächen, durch den eine primäre Abdichtung der aneinander anliegenden Teile gewährleistet ist. Durch die nie vermeidbaren, , relativ geringfügigen Herstellungstoleranzen in den Dichtflächen tritt jedoch insbesondere bei hohen Drücken im ,zylinder ein Lecken auf, gegen welches dann das Dichtelement eine Abdichtung bewirkt. Dadurch wird zwar eine wirkungsvolle Abdichtung gegen die Brenngase erzielt, jedoch erfordert die hohe Druck- und Wärmebelastung des Dichtelementes relativ teuere Dichtungswerkstoffe, um eine einigermaßen brauchbare Lebensdauer und Betriebssicherheit zu gewährleisten.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu urunde, eine Dichtungsanordnung der eingangs geschilderten Art dahingehend zu verbessern, daß die Druck- und Wärmebelastung eines verformbaren, nachgiebigen Dichtelementes so stark herabgesetzt wird, daß erheblich billigere Dichtungswerkstoffe bei zumindest gleicher Abdichtwirkung, Betriebssicherheit und Lebensdauer eingesetzt werden können. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß in mindestens einer der mit metallischem Dichtungskontakt jeweils aneinander liegenden Dichtflächen eine die Dichtstelle umschließende erste Ringnut mit einem darin aufgenommenen und zwischen den Dichtflächen verspannten nachgiebigen Dichtelement sowie eine weitere, zwischen der ersten Ringnut und dem Brennraum liegende, eine ringförmige Pufferkammer bildende Ringnut ausgebildet sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist bei einem zylindrischen Brennraum vorgesehen, daß die erste und zweite Ringnut zu dem Brennraum und zueinander konzentrisch und den Brennraum umgebend angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Ausbildung sieht somit eine Dichtungsanordnung vor, die zwischen in metallischem Kontakt aneinander liegenden Dichtflächen, z.B. an einer Zylinderbüchse und einem Zylinderkopf, ausgebildet ist und bei der eine konzentrisch zu dem Brennraum des Zylinders liegende erste Abdichtungsringnut in einer der Dichtflächen vorgesehen ist, in welcher ein der Form der Ringnut anpaßbares nachgiebiges Dichtungselement angeordnet und zwischen den Dichtflächen verspannt ist. Weiterhin ist in mindestens einer der Dichtflächen mindestens eine weitere konzentrische Puffernut, radial innerhalb der Abdichtnut vorhanden. Diese Puffernut bildet eine Pufferkammer in einer der beiden Dichtflächen, die unmittelbar an der anderen Dichtfläche liegt und durch diese

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begrenzt ist und die kleinen Brenngasmengen aufnimmt, die möglicherweise zwischen den Dichtflächen bei Auftreten hoher Drücke in dem Brennraum zwischen den Dichtflächen hindurchtreten. Dadurch wird die Brenngas- und Druckbelastung auf das Dichtelement herabgesetzt. Die Pufferkammer dient darüberhinaus als Wärmedamm für das Brennelement und unterbricht die Zuströmung des heißen Brenngases, so daß dieses nicht unmittelbar auf das Dichtelement auftreffen kann.

W Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus weiteren Unteransprüchen.

Es zeigt:

Pig. 1 einen Längsschnitt durch einen Zylinderblock mit Zylinderbüchse und zugehörigem Zylinderkopf und einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung zwischen diesen Teilen;

Fig. 2 ,eine vergrößerte Detaildarstellung der Dichtungsanordnung gemäß Figur 1, und

Fig. 3 eine der Figur 2 ähnliche Darstellung mit einer modifizierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung.

Die Figur 1 zeigt schematisch einen Zylinderblock 11 mit einer Zylinderbohrung 12, in die eine Zylinderbüchse 13 eingesetzt ist. Auf der Oberseite des Zylinderblockes ist ein Zylinderkopf H mittels Zylinderkopfschrauben 16 verspannt.

Um die Zylinderbuchse 13 mit ihrer oberen Stirnkante in innigem metallischem Kontakt mit der Unterseite des Zylin-

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derkopfes 14 zu halten, ist eine Abstützung für die Zylinderbüchse vorgesehen, die vorzugsweise aus einer dünnwandigen .Büchse 16 besteht, die als Einheit mit dem Zylinderblock 1 1 hergestellt ist und von unten her nach oben in die Zylinderbohrung 12 hineinragt. Diese dünnwandige Büchse umgibt den unteren Teil der Zylinderbüchse 13 und stützt eine umlaufende Ringschulter 17_f die etwa in der Längsmitte der Zylinderbüchse 13 an deren Außenumfang ausgebildet ist. Zwischen dem oberen Stirnrand der dünnwandigen x>üchse und der erwähnten Ringschulter 17 der Zylinderbüchse 13 ist ein ringförmiges nachgiebiges Abstandselement 18 angeordnet, das die erwünschte Unterstützung der Zylinderbüchse 13 bei deren gleichzeitigem metallischem Dichtungskontakt mit dem Zylinderkopf gewährleistet, ohne daß besondere Vorkehrungen dafür bei der Montage getroffen zu werden brauchen.

Zum Zwecke der Kühlung des Brennraumes 19.innerhalb der Zylinderbüchse 13 ist die Wandung der Zylinderbohrung 12 so ausgefräst, daß eine die Zylinderbüchse 13 umgebende Kühltasche 21 entsteht, in der ein Kühlmedium in direktem Kontakt mit der Außenfläche der Zylinderbüchse 13 zirkuliert. Die Kühltasche 21 verläuft bis nahe dem oberen lande der Zylinderbüchse 13 und steht dort über Kühlkanäle 23 mit Kühlräumen 22 im Zylinderkopf in Verbindung.

Die Abdichtung der- in innigem Dichtungskontakt miteinander befindlichen Stirnflächen der Zylinderbüchse 13 und des Zylinderkopf es 14 gegen die Durchströmung von Brenngasen aus dem Brennraum 19 sowie gegen das Einströmen von Kühlmedium aus der Kühltasche 21 in den Brennraum erfolgt mittels einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung, die insbesondere aus Figur 2 näher hervorgeht. Bei dieser Dichtungsanordnung ist eine umlaufende Abdichtungsringnut 24 in der Zylinderbüchse

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13, vorzugsweise in deren oberer Stirnfläche, vorgesehen.- ^r Diese Ringnut dient zur Aufnahme eines ihrer Fora änpäß-'■"''' ' · ^;' baren und nachgiebigen Dichtringes 26, der zwischen den ^r im gegenseitigen Kontakt befindlichen Dichtflächen der Zylinderbuchse 13 und des Zylinderkopfes 14 zusammengepreßt und verspannt ist. Zusätzlich zu der Abdichtungsringnut 24 ist in radialem Abstand nach innen zu eine weitere konzentrische Puffernut 27 vorgesehen. Tiie die Dichtnut 24 so liegt auch die Puffernut 27 vorzugsweise in der oberen Stirnfläche der Zylinderbüchse 13. Die Puffernut 27 definiert in Verbindung mit der anliegenden Dichtfläche des Zylinderkopfes 14 eine Pufferkammer 28 zwischen dem Brennraum 19 und dem Dichtring 26 auf dem Weg, den leckende Brenngase beim Durchtritt durch Me Dichtflächen nehmen. Selbstverständlich ist es möglich, die Nuten 24 und 27 auch an der Dichtfläche des Zylinderkopfes auszubilden.' -■-„..-. --■■-.-_

Die Wirkungsweise der erfindühgsgemäßen Dichtungsanbrctnunlg" beruht daraufy daß die in metallischem'Kontakt aneinander · anliegenden Dichtflächen der Zylinderbüchse 13 und des Zylinderkopfes 14 eine primäre Abdichtung gegen den Durchtritt von Brenngas aus dem Brennraum 19 bewirken. Diese Abdichtung ist jedoch' auf Grund" unvermeidbarer geringfügiger Her'st'eilungsfehler und -toleranzen in den Abdichtflächen unvollkommen, so daß eine gewisse leckmenge an Brenngas, insbesondere beim Auftreten hoher Drücke innerhalb des Zylinders, hindurch-^ tritt. Während der Zeitintervalle, in denen im Zylinder hohe'"'"'" Drücke herrschen, tritt eine Einströmung von Brenngas in die ^ Pufferkammer 28 auf, so daß sich dort ein geringer Überdruck[ aufbaut, dessen Höhe von der Größe der lecksteilen und dem Volumen der Pufferkaminer 28 abhängt, jegliche weitere Gasströmung aus der !»ufferkammer 28 wircl jedoch durch den Dichtring 26'verhindert· .

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Wenn die Drücke im Brennraum 19 absinken, erreichen sie eine unter der Druckhöhe in der Pufferkammer 28 liegende Höhe, so daß die in der Pufferkammer 28 befindlichen Gasmengen wieder in den Brennraum zurückströmen. Da hohe Drücke im Brennraum lediglich während weniger Kurbelwinkelgrade auftreten, wohingegen während des übrigen Kurbelweges relativ niedrige Drücke vorherrschen, stellt sich in der Pufferkammer 28 ein Druckgleichgewicht bei einem mittleren Druck ein, der erheblich unter dem im Zylinder auftretenden Spitzendruck liegt. Um diesen Mitteldruck erfolgt eine gewisse Druckschwankung* deren höhe eine Funktion der Größe der Leckwege und des Volumens der Pufferkammer 28 ist.

Auf Grund der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich, daß die statischen und dynamischen Druckbelastungen, die normalerweise den Dichtring 26 beaufschlagen würden, ganz erheblich durch die vorgeschaltete Pufferkammer 28 abgemindert werden, da diese diese Belastungen auffängt, uarüberhinaus wirkt die durch die Pufferkammer in der Stirnfläche der Zylinderbüchse geschaffene Diskontinuität als Wärmedamm, der den Wärmefluß zu dem Dichtring 26 herabsetzt und zu einer Verteilung und Dissipation der heißen Leckbrenngase beiträgt. Dadurch wird verhindert, daß die heißen Brenngase unmittelbar auf den Dichtring aufprallen.

Der Dichtring 2b wird weiter dadurch gekühlt, daß er in der Nähe des in der Kühltasche 21 zirkulierenden Kühlmittels angeordnet ist, das sich in direktem Kontakt mit der Außenfläche der Zylinderbüchse 13 befindet. Tatsächlich zeigt sich, daß auf Grund dieser Anordnung der Dichtring eine Temperatur annimmt, die nur geringfügig über derjenigen des Kühlmittels liegt. Auf Grund der herabgesetzten Belastungen durch den Druck und die Temperatur der Brenngase,

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die durch die Pufferkammer klein gehalten werden, ist es möglich, für den Dichtring erheblich billigere und leichter erhältliche Dichtungswerkstoffe einzusetzen, als dies bisher zur Erzielung einer wirkungsvollen Abdichtung als notwendig betrachtet worden ist und auch war.

Wie die Figur 3 zeigt, läßt sich die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung dadurch modifizieren, daß weitere zusätzliche Pufferkammerη durch zusätzliche Nuten 27' in der Dichtfläche der Zylinderbüchse 13 radial innerhalb der Dichtnut 24 ausgebildet werden. Die zusätzlichen Ringnuten bewirken eine zunehmende Pufferkapazität für das Abfangen des Brenngasdruckes und die weitere Verringerung des Wärmeflusses zu dem Dichtring 26.

Als zusätzliche Modifikation ist bei dieser Ausführungsform in der zylindrischen Umfangsflache der Zylinderbüchse 13 eine umfängliche Ringnut 29 vorgesehen, die unmittelbar unter der Dichtnut 24, diese hinterschneidend, angeordnet ist. Die zusätzliche Ringnut 29 steht in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel in der Kühltasche 21 und bewirkt daher eine zusätzliche Kühlung des Dichtringes 26 für den Pail, daß dies erforderlich sein sollte.

Die Erfindung ist nicht auf die nachfolgenden Ansprüche beschränkt. Zu ihr zählt vielmehr alles ersichtlich Neue und Erfinderische gegenüber dem Stande der Technik in Beschreibung und Zeichnung·

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Claims

Patent- (Schutz-) Ansprüche

;1J Dichtungsanordnung zur Brenngasabdichtung zwischen den den

^-^ Brennraum insbesondere einer Verbrennungskraftmaschine definierenden Teilen, d,ie an mindestens einer Dichtstelle über Dichtflächen miteinander in metallischem Dichtkontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer der mit metallischem Dichtungskontakt jeweils aneinander anliegenden Dichtflächen eine die Dichtstelle umschließende erste Ringnut (24) mit einem darin aufgenommenen und zwischen den Dichtflächen verspannten nachgiebigen Dichtelement (26) sowie mindestens eine weitere, zwischen der ersten Ringnut (24) und dem Brennraum (19) liegende, eine ringförmige Pufferkammer

(28) bildende Ringnut (27, 27') ausgebildet sind.
2. Dichtungsanordnung an einem zylindrischen Brennraum, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Ringnut (24 bzw. 27) zu dem Brennraum (19J und zueinander konzentrisch und den Brennraum (19j umgebend angeordnet sind.
3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (19) von einem Kühlraum (21) umgeben ist.
4. Dichtungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in unmittelbarer Nähe der ersten Ringnut (24) eine diese erste Ringnut (24) unter- oder hinterschneidende Kühlnut

(29) vorgesehen ist, die mit dem Kühlraum (21) in Verbindung steht.

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5· Dichtungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum (1S) durch eine Zylinderbüchse (13 J gebildet ist, zwischen der und einer Zylinderbohrung (12) der Kühlraum (21) aucgebil- - det ist, der sich bis zum oberen Ende der Zylinderbuchse (13) hin erstreckt, und daß ein Zylinderkopf (14) mit der oberen Stirnfläche der Zylinderbüchse (13; in metallischem Dichtungskontakt steht.
6. Dichtungsanordnung nach Anspruch 5_f dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zylinderblock {'\'\} eine dünnwandige, von unten her in die Zylinderbohrung (12) nach oben ragende Büchse (16) angeordnet'ist, auf deren oberem Stirnrand sich eine am Außenumfang der Zylinderbüchse (13) ausgebildete Ringschulter (17) über ein nachgiebiges ringförmiges Ab&tandselement (18) abstützt.

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