DE3879825T2

DE3879825T2 - Zylinderhaftdichtung mit einem brennraum-dichtelement, welches wie ein balken funktioniert.

Info

Publication number: DE3879825T2
Application number: DE8888113529T
Authority: DE
Inventors: Josefino T Inciong
Original assignee: Fel Pro Inc
Current assignee: Fel Pro Inc
Priority date: 1987-08-28
Filing date: 1988-08-19
Publication date: 1993-09-23
Anticipated expiration: 2008-08-20
Also published as: DE3879825D1; EP0306750A1; BR8804377A; MX169462B; EP0306750B1; JPH0343460B2; US4796897A; JPS6469759A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsanordnung, bestehend aus einem dehnbaren Hauptdichtungskörper mit oberen und unteren Hauptflächen zur Anordnung zwischen dem Kopf und dem Block einer inneren Brennkraftmaschine, und zur Bildung einer Mehrzahl von Öffnungen, einschließlich mindestens einer Verbrennungsöffnung, Flüssigkeitsöffnungen und Bolzenlöchern, sowie einem Feuerring, bestehend aus einem Kreisring, der in jeder Verbrennungsöffnung positioniert und angeordnet ist, wobei der Feuerring im radialen Querschnitt aus einem kreisringförmigen Balken, einem kreisringförmigen Wulst, der von dem Balken in einer ersten senkrechten Richtung vorsteht, und kreisringförmigen Stützfüßen, die von dem Balken in der entgegengesetzten senkrechten Richtung vorstehen, besteht, und die Füße dazwischen eine kreisringförmige Vertiefung bilden, wobei der Wulst oberhalb der Vertiefung und zwischen den Füßen liegt, der kreisringförmige Balken obere und untere parallele Seiten aufweist, der kreisringförmige Wulst von einer Seite des Balkens in der ersten senkrechten Richtung und die kreisringförmigen Stützfüße von der anderen Seite des Balkens vorstehen, und die kreisringförmige Vertiefung zwischen den Füßen im Querschnitt rechtwinklig ist.
Eine Dichtungsanordnung dieser Bauart ist aus DE-A1-206 656 bekannt. Diese Druckschrift beschreibt eine elastische Dichtung mit einem U-förmigen Querschnitt, wobei die U- Schenkel auf einem Kompressionswulst ruhen, während die Angriffsfläche eines Ringkragens des U-förmigen Querschnitts schmaler als die Gesamtbreite des Querschnitts in der Mitte zwischen den beiden Schenkeln ist. Diese bekannte Konstruktion zielt darauf ab, die Bildung von Rissen in der Stützschulter der Zylinderhülse zu verhindern. Der Hauptteil der Dichtung besteht aus einer massiven Stahlplatte, die den Hauptteil des Drucks aufnimmt. Diese Stahlplatte garantiert, daß der Feuerring nur elastisch verformt werden kann.
FR-A-1 497 446 beschreibt eine Dichtung, die aus einem Feuerring mit einer oberen konkaven Fläche und einer unteren konvexen Fläche besteht. Die obere konkave Fläche bildet zwei ringförmige konzentrische Dichtungszonen. Die konvexe Fläche des Feuerrings hat eine kreisringförmige Rippe, die auf einer Ringschulter einer Zylinderhülse ruht, die konzentrisch zu den beiden Dichtungszonen angeordnet ist. Der Durchmesser der kreisringförmigen Dichtungszone, die zwischen der Dichtungsrippe und der Stützschulter der Zylinderhülse gebildet ist, ist größer als der kleinste dieser Dichtungszonen und kleiner als der größte der Dichtungszonen. Der Feuerring behält seine Elastizität unter Last bei und gewinnt im wesentlichen seine anfängliche konkavkonvexe Form zurück, wenn die Dichtung vom Block und dem Zylinder entfernt wird.
DE-A-1 425 524 beschreibt eine Dichtung aus einem Metallblech mit versetzten Nuten. Diese Versetzung der Nuten unterstützt eine Biegung des Metalls, wenn die Dichtung unter Last steht, so daß ein Einschluß und eine Unterdrucksetzung plastischen Materials erreicht wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Belastung eines Feuerrings und seiner Konstruktion derart zu verbessern, daß die Dichtung einwandfrei unter sämtlichen thermischen und mechanischen Belastungsbedingungen abdichtet.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Verbesserung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Wulst gegenüber der senkrechten Projektion der der Vertiefung zugekehrten Fläche jedes Fußes in einem Abstand versetzt ist, der mindestens einer Hälfte der radialen Breite des Wulstes entspricht und die Wulsthöhe nicht größer als die Höhe der Vertiefung ist, wobei die radiale Breite der Vertiefung mindestens der dreifachen Breite des Wulstes entspricht und der Feuerring im Betrieb eine Belastungskurve bildet, die progressiv zunächst unter Belastung als ein Balken wirksam ist, danach unter einer relativ niedrigen Last elastisch belastet und anschließend unter höherer Belastung plastisch verformt wird.
Um die Aufgabe der Erfindung zu erreichen, ist auch eine Verbesserung eines Verfahrens zum Abdichten der Zylinder einer inneren Verbrennungskraftmaschine durch eine Zylinderkopfdichtungsposition zwischen dem Kopf und dem Block desselben vorgesehen, bestehend aus den Schritten der Bereitstellung einer Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 1 zwischen dem Kopf und Block, der anschließenden Belastung des Dichtungskörpers, derart, daß der Feuerring zwischen dem Kopf und dein Block komprimiert wird, damit der Feuerring als ein Balken unter dieser Last wirksam ist, ferner der Belastung und Kompression dieses Feuerrings, so daß er unter Last elastisch wirksam ist, und schließlich unter Belastung und Kompression dieses Feuerrings, so daß er plastisch unter Last wirksam ist.
Im Betrieb bildet der als Balken wirksame Feuerring eine Belastungskurve, die progressiv zunächst unter Last als ein Balken wirkt, anschließend unter einer verhältnismäßig niedrigen Last elastisch belastet und danach unter hoher Last plastisch verformt wird.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine Zylinderkopfdichtungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein vergrößerter Querschnitt des Feuerrings der Dichtung in Fig. 1, im wesentlichen längs der Linie 2-2 in Fig. 1, und der dieselbe in einer Brennkraftmaschine liegend zeigt;
Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, bei der jedoch der Feuerring unter niedriger Last steht;
Fig. 4 eine Ansicht ähnlich Fig. 3, bei der jedoch der Feuerring unter hoher Last steht;
Fig. 5 eine Ansicht ähnlich Fig. 4, bei der jedoch der Feuerring unter noch höherer Belastung steht; und
Fig. 6 eine Kurve, welche die Belastungscharakteristiken eines Feuerrings gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.

Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen stellt Fig. 1 eine typische Zylinderkopfdichtungsanordnung dar, bei der der als Balken wirkende, vertiefte Feuerring der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. So besteht die Zylinderkopfdichtung 10 aus einem Hauptdichtungskörper 12 mit zwei Hauptflächen, einer oberen und einer unteren Hauptfläche 14, 16 und einer Mehrzahl von Verbrennungsöffnungen 18, die gemäß der vorliegenden Erfindung armiert sind.
Der Hauptdichtungskörper 12 besteht aus mehreren laminierten Schichten, wie z. B. einem mittleren Metallkern 20 und einem Paar faserelastomeren Außenschichten 22, die die oberen und unteren Hauptseiten 14, 16 darstellen.
Faserelastomere Außenschichten können aus Asbest oder Glasfasern oder einem anderen Fasermaterial bestehen, es können Nitril-, Neopren- oder Polyacryl-Elastomere als ein Bindemittel verwendet werden. Füllstoffe und andere Zusatzstoffe können auch vorhanden sein. Andere flache Dichtungskörper können ebenso verwendet werden, wie z.B. u.a. kaltgewalzter Stahl.
Die Abmessungen und Werkstoffe des Hauptdichtungskörpers können variieren, so können mit ihnen Zusatzstoffe und Dichtungshilfsmittel verwendet werden. Der Metallkern 20 kann ungelocht sein und aus kaltgewalztem Stahl bestehen und die Außenseiten 22 sind vorzugsweise feuchtigkeits-, wasser- und ölresistent. Der Kern und die Außenseiten sind vorzugsweise in bekannter Weise, wie mit einem üblichen Klebstoff, laminiert.
Die Dichtung 10 hat eine Mehrzahl geeigneter Öffnungen, wie z. B. Flüssigkeits-(Öl und Wasser)Öffnungen 24 ebenso wie eine Mehrzahl von Bolzenlöchern 26 für die in dem U.S.- Patent 3,565,449 beschriebenen Zwecke. Die Öffnungen 24 für Wasser und Öl erstrecken sich durch den Hauptdichtungskörper und dienen als Durchgangskanäle durch die Dichtungsanordnung 10. Indessen müssen sie abgedichtet werden, so daß Wasser und/oder Öl sich nicht über die Öffnungen 24 hinaus ausbreiten kann.
Zu diesem Zweck sind Dichtungsmittel in üblicher Weise um die Öffnungen 24 herum vorgesehen. Gemäß der gegenwärtigen Praxis wird vielfach ein elastomerer Wulst, wie ein Silikonwulst z. B. im Siebdruckverfahren zur Bildung eines Dichtungswulstes angeordnet, und zwar gewöhnlich einer auf jeder Hauptseite 14, 16 in senkrechter Ausrichtung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der als Balken wirkende Feuerring ein Kreisring 30 sein, der in der Verbrennungsöffnung der-Dichtung positioniert und angeordnet ist und im senkrechten Querschnitt aus einem Balkenabschnitt 31, einem Paar am Umfang angeordneter innerer und äußerer Stützränder 32, 32' mit Füßen 33, 33', die von einer Seite des Kreisrings in einer ersten Richtung vorstehen, und einem Kontrollwulst 34, der von der anderen Seite des Kreisrings in einer zweiten Richtung vorsteht, bestehen. Eine Vertiefung 26 erstreckt sich zwischen den Stützrändern und unterhalb des Wulstes. Fig. 2 zeigt, daß sich die Vertiefung seitlich in einem Abstand von mindestens der Hälfte der Breite der senkrechten Projektion des Wulstes über den Wulst an jeder Seite des Wulstes erstreckt.
Es ist daher ersichtlich, daß der Balkenabschnitt 31 belastet und aus einer geraden oder rechtlinigen Konfiguration, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, weggebogen werden kann, wenn die nicht gezeigten, durch die Öffnungen 26 hindurchgehenden sowie den Kopf H und den Block B des Motors befestigenden Bolzen aus der in Fig. 2 dargestellten Position in diejenigen Stellungen gezogen werden, die in den Fig. 3 bis 5 einschließlich beispielsweise veranschaulicht sind.
So nimmt, wie Fig. 2 bis 5 und Fig. 6, wo eine typische Belastungskurve dargestellt ist, zeigen, der Feuerring der vorliegenden Erfindung im Querschnitt einen am Ende abgestützten, einzigen, an einem Punkt belasteten Balken an. Der Kontrollwulst 34 ist der Belastungspunkt und die Wulsthöhe ermöglicht die Deflektionskontrolle des Balkens, wie ohne weiteres aus der Veränderung von Fig. 2 zu Fig. 3 zu ersehen ist. Der Innenrand 32 und der Außenrand 32' stützen den Balken und den Zwischenraum zwischen den Füßen 33, 33', wobei der gestanzte Abschnitt oder die Vertiefung 36 die Länge des Balkens bildet.
Wenn die kompressive Last, die von dem Drehmoment des Zylinderkopfes und dem Motorblock über die Bolzen aufgebracht wird, wird der Wulst 34 nach unten gedrückt, so daß sich der Balkenabschnitt 31 verbiegt. Dies führt zu einer Drehung der Innenkanten 38, 38' der Füße 33, 33' nach außen oder voneinander weg und veranlaßt die oberen Außenkanten des Feuerrings, sich relativ einwärts zu drehen, bis sie den Zylinderkopf H berühren, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Während dieses Teils der Belastung verbiegt sich der Balkenabschnitt 31 und, wie durch den Abschnitt A-B der Kurve gezeigt ist (Fig. 6), zeigt deren Charakteristik eine elastische Deformation bei einer relativ niedrigen Belastung an.
Wenn der Zylinderkopf H weiter in Richtung des Motorblocks B nach unten gezogen wird, wirken die Kräfte auf den Feuerring etwas komplexer ein und erfordern eine viel höhere Belastung. Wenn daher eine weitere Kompression auftritt, wird die Drehung der Stützränder 32, 32' für den Balken umgekehrt, d. h., die unteren Innenkanten 38, 38' der Füße werden nach innen gegeneinander gedreht (und die oberen Außenkanten der Ränder werden relativ nach außen gedreht), wodurch der Balkenabschnitt gespannt wird, insbesondere im Bereich seiner oberen Zone. Das Verhalten bei der Bewegung aus der Position in Fig. 3 in diejenige in Fig. 4 ist eine Kombination von Spannung und Biegung und ist in dem Kurventeil B-C (Fig. 6) dargestellte wobei die Kennungen derselben eine plastische Deformation und hohe Belastung sind. Die Belastung wird merklich bis zu den gewünschten Belastungsbereichen typischerweise verwendeter Metalle erhöht, wie z. B. nicht rostendem Stahl und kohlenstoffarmem Stahl, und stellt den Teil der Kurve dar, in dem die tatsächliche Abdichtung stattfinden sollte.
Die Steilheit der Kurve kann gemäß dieser Erfindung durch die Einstellung der Länge des Balkens (d. h. der Breite der Vertiefung) und die Lage des Wulstes längs des Balkens ebenso wie durch Einstellung der relativen Länge des Wulstes in bezug auf die Länge der Vertiefung (oder des Balkens) eingestellt werden.
Der C-D-Teil der Kurve (Fig. 6) ist einer, bei dem der Zylinderkopf und der Motorblock unter Druck gegen die Ränder wirken (wie Fig. 5 zeigt), und zwar in einer Weise, die über die in Fig. 4 gezeigte Beziehung hinausgeht, wobei der Abstand zwischen dem Kopf und Block im wesentlichen der selbe war wie die Höhe der stützränder. In diesem Teil der Kurve wird die Kurvenneigung viel steiler und steifer, weil die Ränder die gesamte zusätzliche Belastung absorbieren. In diesem Kurvenbereich widersteht der Feuerring einer übermäßigen Bolzenbelastung und Hitzeschüben.
Bei der Herleitung der Kurve A-D in Fig. 6 wurde ein Kreisring 30 aus kaltgewalztem Stahl geprüft. Der Kreisring 30 war in einem Durchmesserquerschnitt 3,81 mm (0,15 Zoll) weit und 1,5748 mm (0,062 Zoll) hoch. Die Breite der Vertiefung war 1,7018 mm (0,067 Zoll) mit einer Tiefe der Vertiefung von etwa 0,127 mm (0,005 Zoll). Jeder stützrand war 0,9144 mm (0,036 Zoll) weit mal 1,5748 mm (0,062 Zoll) hoch. Der Wulst war rechtwinklig und die Weite betrug 0,762 mm (0,030 Zoll) und 0,0762 mm bis 0,127 mm (0,003 bis 0,005 Zoll) hoch. Der Wulst wurde (im Querschnitt gesehen) in bezug auf die Querschnittsweite des Kreisringes zentriert und stand von diesem nach oben vor. Der Innendurchmesser des Kreisringes betrug etwa 121,005 bis 121,513 mm (4,764 bis 4,784 Zoll).
Wie hervorgehoben, zeigt die Kurve A-D in Fig. 6 das Verhalten und die Belastungskapazität eines als Balken wirksamen formgestanzten Feuerrings gemäß der vorliegenden Erfindung. Sie zeigt auch eine typische Kurve E, die schematisch eine Belastung in bezug auf die Biegekurve darstellt, die mit einem typischen Feuerring entsteht, der eine Armierungsverstärkung, einen Runddraht umfaßt, und graphisch die wesentlich verbesserten Kennungen eines als Balken wirksamen Feuerrings gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Die Abmessungen des Feuerrings gemäß der vorliegenden Erfindung können verändert werden, jedoch unter Berücksichtigung dessen, daß der Ring einen Teil haben muß, der als ein Balken wirksam ist, einen vorspringenden Wulst haben muß und eine merklich weitere Vertiefung aufweist, und daß er eine Belastungskurve aufweisen muß, die progressiv zunächst unter Belastung als ein Balken, danach elastisch unter einer verhältnismäßig niedrigen Last und daraufhin in einem plastischen Deformationsschritt unter einer höheren Belastung wirksam ist.
So ist die Weite der Vertiefung in dem Kreisring mindestens zweimal so groß wie die Wulstbreite und vorzugsweise mindestens dreimal so groß wie die Breite des Wulstes. Die Wulsthöhe ist nicht größer als die Höhe der Vertiefung und beträgt vorzugsweise nicht mehr als 60 % der Höhe der Vertiefung. Der Wulst ist nach innen von dem Rand der Vertiefung in einem Abstand von mindestens gleich der Hälfte der Breite des Wulstes angeordnet.
Für den Fachmann ist ersichtlich, daß Abänderungen ohne Abweichung von dem Geist und dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung möglich sind. Demnach soll der Schutzumfang der Patentansprüche alle Abänderungen erfassen.

Claims

1. Eine Dichtungsanordnung, bestehend aus einem dehnbaren Hauptdichtungskörper (12) mit oberen und unteren Hauptflächen (14, 16) zur Anordnung zwischen dem Kopf (H) und dem Block (B) einer inneren Brennkraftmaschine, und zur Bildung einer Mehrzahl von Öffnungen, einschließlich mindestens einer Verbrennungsöffnung (18), Flüssigkeitsöffnungen (24) und Bolzenlöchern (26), sowie einem Feuerring (30), bestehend aus einem Kreisring, der in jeder Verbrennungsöffnung (18) positioniert und angeordnet ist, wobei der Feuerring (30) im radialen Querschnitt aus einem kreisringförmigen Balken (31), einem kreisringförmigen Wulst (34), der von dem Balken in einer ersten senkrechten Richtung vorsteht, und kreisringförmigen Stützfüßen (33, 33'), die von dem Balken (31) in der entgegengesetzten senkrechten Richtung vorstehen, besteht, und die Füße (33, 33') dazwischen eine kreisringförmige Vertiefung (36) bilden, wobei der Wulst (34) oberhalb der Vertiefung (36) und zwischen den Füßen (33, 33') liegt, der kreisringförmige Balken obere und untere parallele Seiten aufweist, der kreisringförmige Wulst (34) von einer Seite des Balkens in der ersten senkrechten Richtung und die kreisringförmigen Stützfüße (33, 33') von der anderen Seite des Balkens (31) vorstehen, die kreisringförmige Vertiefung zwischen den Füßen (33, 33') im Querschnitt rechtwinklig ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wulst (34) gegenüber der senkrechten Projektion der der Vertiefung zugekehrten Fläche jedes Fußes (33, 33') in einem Abstand versetzt ist, der mindestens einer Hälfte der radialen Breite des Wulstes (34) entspricht und die Wulsthöhe nicht größer als die Höhe der Vertiefung (36) ist, wobei die radiale Breite der Vertiefung mindestens der dreifachen Breite des Wulstes entspricht, der Feuerring (30) im Betrieb eine Belastungskurve bildet, die progressiv zunächst unter Belastung als Balken wirksam ist, danach unter einer relativ niedrigen Last elastisch belastet und anschließend unter höherer Belastung plastisch verformt wird.

2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Wulsthöhe des Feuerrings (30) nicht größer als 60 % der Höhe der Vertiefung (36) ist.

3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, bei der der Hauptdichtungskörper (12) aus einem mittleren Kern (20) und einem Paar Außenseiten (22) aus einem Faserelastomer besteht, die die oberen und unteren Hauptseiten (14, 16) bilden.

4. Verfahren zum Abdichten der Zylinder einer Brennkraftmaschine durch eine Zylinderkopfdichtung, die zwischen dem Zylinderkopf und deren Block angeordnet ist, bestehend aus den Schritten der Bereitstellung einer Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 1 zwischen dem Kopf (H) und dem Block (B), der anschließenden Belastung des Dichtungskörpers, derart, daß der Feuerring (30) zwischen dem Kopf (H) und dem Block (B) komprimiert wird, damit der Feuerring (30) als ein Balken unter der genannten Last wirksam ist, einer weiteren Belastung und Komprimierung des Feuerrings, so daß er unter Last elastisch wirksam ist, und schließlich einer Belastung und Komprimierung des Feuerrings (30), so daß er unter Belastung plastisch wirksam ist.