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Zylinderkopfdichtung
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Die Erfindung betrifft eine Zylinderkopfdichtung mit einer Weichstoffplatte,
in der nebeneinander wenigstens zwei durch einen Steg der Weichstoffplatte voneinander
getrennte Brennraum-Durchgangsöffnungen vorgesehen sind und welche ggf.
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zwischen den letzteren geteilt ist, mit die Ränder der Durchgangsöffnungen
abdeckenden, ring- und im Querschnitt insbesondere ungefähr L- oder C-förmigen Blecheinfassungen,
sowie mit einer zumindest im Stegbereich vorgesehenenUnterlageschicht zwischen mindestens
einer der Hauptoberflächen der Weichstoffplatte und den Blecheinfassungen.
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Vor allem bei modernen Hochleistungsmotoren liegen die Zylinderbohrungen
bzw. Zylinderlaufbüchsen relativ nahe beieinander, so daß sich hauptsächlich in
den zwischen den Brennraum-Durchgangsöffnungen verlaufenden Stegbereichen der Zylinderkopfdichtungen
Probleme mit der Gasdichtheit ergeben. Ferner sind bei modernen Hochleistungsmotoren
Motorblock und Zylinderkopf nicht mehr besonders verformungssteif, so daß die Zylinderkopfdichtungen
in hohem Masse dynamisch beansprucht werden. Dies alles gilt auch für solche Verbrennungsmotoren,
welche für jeden Zylinder einen separaten Zylinderkopf haben und die Zylinderkopfdichtung
aus mehreren Einzeldichtungen besteht, die mit einem kleinen Spalt von ca. 1 mm
nebeneinander auf dem Motorblock angeordnet werden und jeweils eine einzige Brennraum-Durchgangsöffnung
besitzen.
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Um die Gasdichtheit in den Bereichen zwischen den Brennraum-Durchgangsöffnungen
zu verbessern, sind schon Zylinderkopfdichtungen der eingangs erwähnten Art mit
einer Asbest-Weichstoffplatte bekannt geworden, bei denen die Blecheinfassungen
im Stegbereich durch ein dünnes Metallblech unter legt sind, um die Flächenpressung
zwischen den Dichtflächen in den schmalen Stegbereichen zwischen den Brennraum-Durchgangsöffnungen
zu erhöhen. Derartige Unterlageschichten können auf einer oder beiden Seiten der
Weichstoffplatte vorgesehen sein, wie sich dies z. B. aus der EP-B1-28576 ergibt.
Sie führen aber schon bei Zylinderkopfdichtungen, deren Weichstoffplatte im wesentlichen
aus Asbestfasern besteht, nicht immer zu dem gewünschten Erfolg, weil sich Motorblock
und Zylinderkopf infolge der durch die Unterlageschichten bewirkten höheren Flächenpressungen
in den Bereichen dieser Unterlageschichteh plastisch, d. h. dauerhaft, verformen,
wobei diese Gefahr bei den immer häufiger verwendeten Leichtmetallmotoren besonders
groß ist. Wenn die gewünschte höhere Flächenpressung aber nicht dauerhaft erhalten
bleibt, wird die Gasabdichtung in den Bereichen zwischen den Brennraum-Durchgangsöffnungen
mangelhaft.
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Nun sind unter Verwendung von Asbestfasern hergestellte Weichstoffplatten
elastischer als die neuerdings gewünschten Asbestfaser-freien Weichstoffplatten
für Flachdichtungen; dies gilt vor allem nach einer gewissen Betriebszeit in einem
Verbrennungsmotor:
Selbst hochtemperaturbeständige organische Fasern,
wie Aramid-Fasern, werden bei einer thermischen Dauerbelastung von ca. 2500C, wie
sie in Verbrennungsmotoren auftritt, und gleichzeitiger hoher Pressung zerstört,
was zu einem Volumenschwund und zu einem Verlust der Elastizität der Weichstoffplatte
und infolgedessen zur Gasundichtigkeit im Stegbereich führt; anorganische Fasern
bekannter asbestfreier Weichstoffplatten werden durch die dynamische Dauerbeanspruchung
der Zylinderkopfdichtung bei gleichzeitiger hoher Pressung gleichfalls zerstört,
und unter der erwähnten Beanspruchung werden anorganische nicht-faserförmige Bestandteile
verdichtet und bewirken somit eine höhere Dichte der Weichstoffplatte und damit
eine geringere Elastizität; in gleicher Richtung wirken sich auch die infolge der
dynamischen Dauerbeanspruchung zerstörten anorganischen Fasern aus. Gerade an den
Stellen höchster thermischer und dynamischer Beanspruchungen einer Zylinderkopfdichtung,
nämlich in den Bereichen zwischen den Brennraum-Durchgangsöffnungen, ist der Elastizitäts-
und Volumenverlust asbestfreier Zylinderkopfdichtungen demnach am grössten.
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Erfindungsgemäss lässt sich nun eine dauerhafte Gasabdichtung durch
eine Zylinderkopfdichtung in den Bereichen zwischen den Brennraum-Durchgangsöffnungen
auch bei Verwendung asbestfreier Weichstoffplatten dadurch erzielen, dass bei einer
Zylinderkopfdichtung
der eingangs erwähnten Art als Unterlageschicht
eine im wesentlichen lediglich im Bereich der Blecheinfassungen vorgesehene Graphitfolie
verwendet wird. Natürlich umfasst die erfindungsgemässe Lösung auch solche Zylinderkopfdichtungen,
bei denen die Graphitfolie relativ geringfügig über die Blecheinfassungen übersteht.
Bei der erfindungsgemässen Zylinderkopfdichtung steht also der Gedanke im Vordergrund,
besondere Eigenschaften einer Graphitfolie, nämlich deren Elastizität und Temperaturbeständigkeit,
dazu zu benutzen, unter den Blecheinfassungen den im Betrieb auftretenden Volumenschwund
einer asbestfreien Weichstoffplatte zu kompensieren, weshalb auch solche Zylinderkopfdichtungen
als unter die Erfindung fallend zu betrachten sind, bei denen die Blecheinfassungen
ringsum ein- oder beidseitig mit einer Graphitfolie unterlegt sind. Erst in zweiter
Linie dient die Graphitfolie dazu, die Flächenpressung in den schmalen Bereichen
zwischen den Brennraum-Durchgangsöffnungen zu erhöhen.
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Schon relativ dünne Graphitfolien, wie sie beispielsweise von der
Firma UNION CARBIDE unter der Bezeichnung GRAFOIL auf den Markt gebracht werden,
sind in der Lage, die mangelnde Dickenelastizität sowie die im Betrieb auftretende
Verdichtung bekannter asbestfreier Weichstoffplatten zu kompensieren, ohne dass
die Abstützung der parallel zu den Hauptoberflächen der Weichstoffplatte verlaufenden
Flanken der Blecheinfassungen so nachgiebig wäre, dass ein Dauerbiegebruch am Ubergang
zwischen einer Flanke und der die Brennraum-Durchgangsöffnungen begrenzenden Innenumfangswand
der Blecheinfassung zu befürchten wäre. Die in Rede stehenden Graphitfolien sind,
werden sie durch die Blecheinfassungen gegenüber den Verbrennungsgasen
geschützt,
thermisch auch ausserordentlich beständig und behalten ihre elastischen Eigenschaften
bis zu einer Dauertemperaturbelastung in der Größenordnung -von 4000 C. Schließlich
lassen sich erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtungen auch zerstörungsfrei demontieren,
da die die Graphitfolien abdeckenden Blecheinfassungen verhindern, daß die Graphitfolien
am Zylinderkopf und am Motorblock ankleben, wozu sie sonst neigen.
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Die Verwendung von Graphitfolien für Flachdichtungen, insbesondere
auch für Zylinderkopfdichtungen, ist an sich nicht neu, jedoch wurden sie bisher
in völlig anderer Weise eingesetzt: Bei der Zylinderkopfdichtung nach der US-PS
4 243 231 wird die Weichstoffplatte in dem schmalen Bereich zwischen zwei Brennraum-Durchgangsöffnungen
vollständig von einer entsprechend dicken Graphitschicht gebildet; dies führt wegen
der hohen Elastizität einer derart dicken Graphitschicht zu den geschilderten Dauerbrüchen
an den Blecheinfassungen. Bei einer anderen bekannten Zylinderkopfdichtung (Fig.
5 der GB-PS 1 522 172) sind auf der Weichstoffplatte die Brennraum-Durchgangsöffnungen
umfassende, kreisringförmige Graphitfolienauflagen angebracht, die, da bei dieser
bekannten Zylinderkopfdichtung Blecheinfassungen für die Brennraum-Durchgangsöffnungen
ganz bewußt nicht vorgesehen sind, der Gefahr unterliegen,bei schlechtem Verbrennungsverlauf,
z.B.
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bei extrem hohe Temperaturen serursachenden Nachzündungen, zu verbrennen
und dann ihre Dichtfunktion verlieren. Ausserdem können die Graphitringe am Zylinderkopf
bzw. Motorblock ankleben und dann eine zerstörurigsfreie Demontage der Zylinderkopfdichtung
unmöglich
machen. Schliesslich können Brennraum-Durchgangsöffnungen auch aus Graphitfolien
nie ganz exakt ausgestanzt werden, was der Forderung zuwiderläuft, unkontrollierte
Schadräume des Verbrennungsraums zu vermeiden. Diese Nachteile dieser bekannten
Zylinderkopfdichtung gelten auch für eine weitere bekannte Zylinderkopfdichtung
(DE-OS 24 56 883), deren Weichstoffplatte aus einem beidseitig vollflächig mit einer
Graphitfolie beschichteten Metallblech besteht, wobei um die Brennraum-Durchgangsöffnungen
herum auf die Weichstoffplatte beidseitig lediglich flache Stahlblechringe aufgebracht
sind, die weder eine von den Brennräumen ausgehende Verbrennung der Graphitfolien
noch ein Ankleben der von den Graphitfolien gebildeten Hauptoberflächen der Zylinderkopfdichtung
an Motorblock und Zylinderkopf verhindern können. Die im Zusammenhang mit der GB-PS
1 522 172 sowie der DE-OS 24 56 883 geschilderten Nachteile treffen auch auf die
Zylinderkopfdichtung nach der DE-PS 24 50 914 zu. Schliesslich ist es aus der US-PS
4 397 472 bekannt, die Brennraum-Durchgangsöffnungen umgebende, kreisringförmige
und weichstofffreie Bereiche eines Trägerblechs einer Weichstoffplatte jeweils mit
einer kreisringförmigen Sicke zu versehen und die von der Sicke gebildete Nut mit
Graphit zu füllen, ehe eine Blecheinfassung auf dem Trägerblech befestigt wird.
In diesem Fall kann der Graphit bei eingebauter Zylinderkopfdichtung nicht als begrenzt
elastische Abstützung für die Blecheinfassung wirken, da diese nach dem Anziehen
des Zylinderkopfs beidseitig der von der Sicke gebildeten Nut auf dem Trägerblech
aufliegen wird.
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Durch die Wahl einer entsprechend dicken Graphitfolie lässt sich eine
gewünschte Elastizität einstellen; als besonders günstig haben sich Graphitfolien
mit einer Dicke von ca. 1/10 bis 3/10 mm, einem Flächengewicht von ca. 200 bis ca.
800 g/m2 und einer Dichte von ca.
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0,2 bis ca.- 1,6 g/cm3 erwiesen.
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Da bei der fertigen Dichtung die Graphitfolien durch die Blecheinfassungen
zumindest weitgehend abgedeckt und geschützt sind, lassen sich die erfindungsgemässen
Zylinderkopfdichtungen trotz der empfindlichen Oberfläche der Graphitfolien gut
handhaben. Um Fertigungsprobleme bei der Verwendung von Graphitfolien zu vermeiden,
kann es sich jedoch empfehlen, die Graphitfolien zur Verbesserung ihrer Bearbeitung
und Handhabung bei den verschiedenen Arbeitsgängen ein- oder beidseitig mit einer
dünnen Metallschicht zu versehen, z.B. mit einer im Spritzverfahren aufgebrachten
dünnen
Aluminiumschicht oder mit einer aufgesiegelten, dünnen Aluminiumfolie mit einer
Stärke von insbesondere 2 bis 5 Hundertstel mm.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie der beigefügten zeichnerischen Darstellung
einiger bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung;
in der Zeichnung zeigen: Fig. 5 eine Weichstoffplatte mit einem aufgebrachten Graphitfolienstreifen
vor dem Ausstanzen der Brennraum-Durchgangsöffnungen; Fig. 6 einen Schnitt nach
der Linie 6-6 in Fig. 5 nach dem Ausstanzen-der Brennraum-Durchgangsöffnungen und
dem Anbringen der Blecheinfassungen; Fig. 7 eine Weichstoffplatte, auf die ausgestanzte,
kreisscheibenförmige Graphitfolien aufgebracht worden sind, und zwar vor dem Ausstanzen
der Brennraum-Durchgangsöffnungen, und
Fig. 8 einen Schnitt nach
der Linie 8-8 in Fig. 7 nach dem Ausstanzen der Brennraum-Durchgangsöffnungen und
dem Anbringen der Blecheinfassungen.
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Fig. 3 einen Teil eines Schnitts durch eine Zylinderkopfdichtung
im Bereich einer Brennraum-Durchgangsöffnung; Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende
Darstellung durch eine abgewandelte Ausführungsform; Fig. 1 eine Draufsicht auf
eine Zylinderkopfdichtung, bei der die Blecheinfassungen auf der einen Seite der
Weichstoffplatte über einen schmalen Steg miteinander verbunden sind; Fig. 2 einen
Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1, jedoch in teilweise perspektivischer Darstellung;
Die Fig.1 und 2 zeigen eine Zylinderkopfdichtung 200 mit einer Weichstoffplatte
202 und zwei Brennraum-Durchgangsöffnungen 204, deren Blecheinfassungen 206 auf
der einen Seite der Zylinderkopfdichtung über einen Blechsteg 208 miteinander verbunden
sind. Bei dieser Ausführungsform ist ein schmaler Graphitfolienstreifen 214 vorgesehen,
mit dem die dem Betrachter der Fig. 1
zugekehrten Flanken der Blecheinfassungen
206 und der Blechsteg 208 im Bereich des schmalen Stegs unterlegt sind, den die
Weichstoffplatte 202 zwischen den beiden Brennraum-Durchgangsöffnungen 204 bildet.
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Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform mit einer Weichstoffplatte 100,
aus der Brennraum-Durchgangsöffnungen 102 ausgestanzt sind und deren Dicke in die
Brennraum-Durchgangsöffnungen umgebenden kreisringförmigen Bereichen durch Pressen
so vermindert wurde, daß der Dickenunterschied dem Doppelten der Dicke der Graphitfolienringe
104 entspricht, mit denen eine Blecheinfassung 106 unterlegt wurde.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen
gemäß Fig. 4 nur dadurch, daß eine Blecheinfassung 106' lediglich auf der einen
Seite durch einen Graphitfolienring 104' unterlegt wurde und infolgedessen die Weichstoffplatte
1001 auch nur auf der einen Seite durch Pressen verdichtet worden ist.
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Die Fig. 5 zeigt eine Weichstoffplatte 1o mit einem in bekannter Weise
mit ausgeprägten Haftzacken versehenen Trägerblech 12; auf der Oberseite der Weichstoffplatte
ist ein Graphitfolienstreifen 14 befestigt, dessen Breite kleiner als der Außendurchmesser
der anzubringenden Blecheinfassungen ist. Nach dem Ausstanzen
der
in der Fig. 6 erkennbaren Brennraum-Durchgangsöffnungen 16 werden Blecheinfassungen
18 angebracht, die durch die nach dem Aus stanzen übrig gebliebenen Bereiche des
Graphitfolienstreifens 14 auf der einen Seite unterlegt sind, wobei diese Bereiche
zwischen den Brennraum-Durchgangsöffnungen 16 Graphitfolienstege 20 bilden und zwischen
den Brennraum-Durchgangsöffnungen und den Längskanten des Graphitfolienstreifens
14 so schmal sind, daß sie von den Blecheinfassungen 18 zumindest nahezu vollständig
abgedeckt werden.
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Die Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6 läßt erkennen, wie die Definition
des Grundgedankens der Erfindung zu verstehen ist, wonach die Graphitfolien-Unterlageschicht
lediglich im Bereich der Bleche in fassungen vorgesehen sein soll; unter diesem
Bereich kann also z. B. auch ein Streifen verstanden werden, der sich in Längsrichtung
der Zylinderkopfdichtung erstreckt und dessen Breite ungefähr dem Außendurchmesser
der Blecheinfassungen entspricht.
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Die Fig. 7 zeigt wiederum eine Weichstoffplatte 10 | für die Zylinderkopfdichtung
eines Dreizylinder-Motors, weshalb auf der Oberseite der Weichstoffplatte drei Graphitfolienscheiben
14' befestigt sind. Aus diesen und der Weichstoffplatte werden Brennraum-Durchgangsöffnungen
16' ausgestanzt, so daß Graphitfolienringe 20' übrig bleiben, deren Breite derjenigen
der Flanken 18a der Blecheinfassungen 18 entspricht (siehe Fig. 8).
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Werden Graphitfolienstreifen verwendet und die Brennraum-Durchgangsöffnungen
gleichezeitig aus den Graphitfolienstreifen und den Weichstoffplatten ausgestanzt,
so empfiehlt es sich, die Graphitfolienstreifen zusammen mit dem asbestfreien Weichstoff
auf das Trägerblech aufzuwalzen.
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