DE4330780A1 - Mehrschichtige Zylinderkopfdichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrschichtige Zylinderkopfdich­ tung.

Dichtungen werden als Dichtmittel zwischen zusammenge­ hörigen mechanischen Komponenten verwendet. Eine übliche An­ wendung besteht in der Anordnung einer Dichtung zwischen dem Motorblock und dem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine. Zylinderkopfdichtungen erstrecken sich typischerweise um die Zylinderbohrungen, um eine Abdichtung gegenüber der Verbrennung zu schaffen und die heißen Verbrennungsgase in den Zylinder­ bohrungen zu halten. Gleichzeitig dichten die Dichtungen Fluid­ öffnungen für Kühlmittel und Öl ab, um eine unerwünschte Ver­ mischung zu verhindern. Ferner verhindern solche Dichtungen eine Leckage durch Abdichtung der Bereiche um die Schrauben, welche den Zylinderkopf und den Motorblock verbinden. Die Dich­ tung nimmt die Last der Schraubenverbindung zwischen den me­ chanischen Komponenten auf und schafft auf diese Weise eine Abdichtung.

Damit Dichtungen im Bereich von Brennkraftmaschinen zuverlässig arbeiten, müssen sie gegen Verschleiß widerstandsfähig sein, der eine Folge der Korrosion, der Wärme und mechanischer Be­ anspruchung ist, insbesondere im Bereich um die Zylinderbohrun­ gen. Es ist daher erwünscht, eine schmierfähige Hochtemperatur­ beschichtung zu haben, die schlüpfrig ist und einen niedrigen Reibungskoeffizienten hat, um die Bereiche einer Dichtung um jede Zylinderbohrung zu schützen. Gleichzeitig muß eine Dichtung jedoch eine wirksame Fluidabdichtung um die Strömungsöffnungen garantieren. Es ist ferner erwünscht, eine elastomere Beschich­ tung in den Bereichen der Dichtung zu haben, welche die Strö­ mungsöffnungen umgeben. Es war schwierig, diese Ziele bei einer einzigen Dichtung zu erreichen, insbesondere, weil es vorzu­ ziehen ist, daß die elastomere Beschichtung einen Abstand von diesen Abschnitten der Dichtung, welche die Zylinder­ bohrungen umgeben, hat.

Es wurden mehrschichtige Metalldichtungen entwickelt, welche mit den oben beschriebenen Schichten ausgestattet sind. Die­ se Dichtungen sind jedoch schwierig und teuer herzustellen. Gewöhnlich wurden die Schichten solcher Dichtungen als Rohlinge hergestellt und mit den Beschichtungen versehen, die selektiv oder mit Hilfe von Masken auf eine besondere Schicht aufge­ bracht wurden. Die Schwierigkeiten beim Maskieren und beim selektiven Aufbringen von Schutzbeschichtungen auf die Lagen der Dichtung haben die Wirksamkeit der Dichtungen stark be­ grenzt.

Es ist ferner bekannt, separate Platinen zu verwenden, welche die hohe Temperatur aufnehmen sowie elastomere Beschichtungen, wobei die mit Elastomer beschichteten Platinen im Abstand von den Zylinderbohrungen liegen. Die variierende Dicke von ver­ schiedenen Abschnitten solcher Dichtungen hat jedoch uner­ wünschte Belastungsunterschiede zwischen den verschiedenen Dichtungen hervorgerufen, was zu Problemen wie unzureichende Dichtungsbelastung führte, die zu einem Ausfall der Dichtung führen können.

Die mechanischen Beschränkungen und die Kosten haben daher die Möglichkeit, mehrschichtige Dichtungen zu schaffen, die veränderliche Charakteristiken haben,abhängig von der Art der Dichtung, die für einen besonderen Anwendungsort erforderlich ist- beschränkt.

Die Erfindung betrifft nun eine mehrschichtige Dichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer Mehrzahl von metallischen Platinen, welche Schichten oder Lagen der Dichtung bilden.

Eine schmierfähige Hochtemperaturbeschichtung,wie z. B. Poly­ tetrafluorethylen (PTFE), das unter dem registrierten Waren­ zeichen Teflon vertrieben wird, oder Molybdän-Disulfid ist auf einer ersten Platine angeordnet, die am Verbrennungsbe­ reich liegt. Eine elastomere Beschichtung ist auf einer zwei­ ten Platine um die Fluidströmungsbereiche angeordnet. Diese Beschichtung entspricht den zusammenwirkenden Oberflächen von Zylinderkopf und Motorblock, um eine wirksame Fluidab­ dichtung zu gewährleisten. Die mit dem Elastomer beschichtete Platine ist so geformt, daß die Beschichtung den hohen Tempe­ raturen der Verbrennungsgase nicht ausgesetzt ist.

Die separaten Platinen sind so geformt, daß die Beschichtungen nicht selektiv aufgebracht oder die jeweiligen Platinen mas­ kiert werden müssen. Statt dessen werden die Beschichtungen auf eine gesamte Seite einer Platine aufgebracht. Dies führt zu deutlichen Kosteneinsparungen in der Produktion gegenüber den bisherigen Herstellungsverfahren. Eine Scheibe ist wenig­ stens um die Zylinderbohrungen angeordnet, um die Tatsache zu kompensieren, daß die mit Elastomer beschichteten Lagen sich nicht bis zu dieser Stelle erstrecken und um einen optimalen Last-Ausgleich zwischen den Verbrennungsdichtungen und den Fluiddichtungen zu schaffen. Hierdurch wird das Problem einer unzureichenden Abdichtung oder einer Beschädigung der Dichtung eliminiert, wie es bei früheren mehrlagigen Dichtungen aufge­ treten ist.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Teil einer erfindungsgemäßen Dichtung zeigt.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der Dichtung längs der Linie 2-2 von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt der Dichtung längs der Linie 3-3 von Fig. 1.

Fig. 4 zeigt im Querschnitt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung.

Die Zylinderkopfdichtung nach Fig. 1 hat Zylinderbohrungen 22, Fluidströmungsöffnungen 24 und Nieten 26. Die Dichtung 20 schafft eine Verbrennungsabdichtung rund um die Zylinder­ bohrungen 22 und eine Fluidströmungsabdichtung rund um die Fluidströmungsöffnungen 24.

Die Dichtung 20 nach Fig. 2 hat eine Verbrennungsdichtung 28 und eine Fluiddichtung 30. Die Dichtung 20 umfaßt zwei Ba­ sis-Platinen 32 und zwei äußere Platinen 34.

Die Grundplatinen 32 erstrecken sich durch die gesamte Dichtung, und sie können eine schmierfähige Hochtemperaturbeschichtung 35 auf beiden Seiten 36 und 38 aufweisen. Obwohl eine Beschichtung 35 auf beiden Seiten 36 und 38 dargestellt ist, kann auch eine Beschichtung auf nur einer Seite zu akzeptablen Ergebnissen führen. Die Beschichtung 35 kann auf die gesamte Oberfläche der Seite 36 und 38 aufgebracht sein. Vorzugsweise wird eine Beschichtung aus Polytetrafluorethylen (PTFE), das unter dem registrierten Warenzeichen Teflon vertrieben wird oder Molyb­ dän-Disulfid verwendet, um die Reibung und die Korrosion zu reduzieren und die Gasdichtheit zu verbessern. Diese Beschichtung, die bei der Verbrennungsdichtung 28 hoch erwünscht ist, ist jedoch bei den Fluidströmungsöffnungen 24 nicht so nützlich. In den Grundplatinen 32, angrenzend an die Zylinderbohrung 22 und die Beschichtung 35 umfassen, sind mechanische Wulste 40 ausgebildet. Wenn die Dichtung 20 beim Zusammenschrauben der mechanischen Komponenten angezogen wird, wird die Belastung zuerst auf den Wulst 40 ausgeübt, wodurch der Druck der Dich­ tung 20 auf die zusammenwirkenden Motorteile erhöht wird, wo­ bei die Anpassungsfähigkeit und das Federungsvermögen der Ver­ brennungsdichtung 28 verbessert werden.

Jede der äußeren Platinen 34 ist angrenzend an eine Außenseite 36 einer Grundplatine 32 angeordnet. Die äußeren Platinen 34 liegen um die Fluidströmungsöffnungen 24, und sie haben eine elastomere Beschichtung 42, wenigstens auf einer Außenseite 44, die in flächigen Kontakt entweder mit dem Zylinderkopf oder dem Motorblock tritt, wenn die Dichtung angezogen wird. Die Beschichtung 42 kann auf die gesamte Oberfläche der Außenseite 44 aufgebracht werden. Die elastomere Beschichtung 42 trägt dazu bei, eine wirksame Fluidabdichtung zu gewähr­ leisten.

Bei der Fluiddichtung 30 sind mechanische Wulste 45 in beiden Grundplatinen 32 und den Außenplatinen 34 ausgebildet, angren­ zend an eine Fluidströmungsöffnung 24 unter Einschluß der Be­ schichtung 42. Da hier jedoch allgemein weniger Druck oder Be­ lastung erforderlich ist, sind zwischen der Dichtung 20 und den zusammenwirkenden Motorkomponenten für die Fluidabdichtung 30 die Wulste nur teilweise dargestellt bzw. ausgebildet. Es können aber auch volle Wulste wie der Wulst 40 verwendet wer­ den.

Eine Scheibe 46 ist in Umfangsrichtung um jede Zylinder­ bohrung 22 angeordnet. Die Dicke der Scheibe ist so ge­ wählt, daß ein optimaler Lastausgleich zwischen der Ver­ brennungsdichtung und der Fluiddichtung erreicht wird in Verbindung mit der Steifheit der Motorumgebung. Die addierte oder Gesamtdicke der Verbrennungsdichtung 28 kann größer sein als die Gesamtdicke der Fluiddichtung 30. Die Scheibe 46 reduziert solche Probleme wie unzureichende Dichtungs­ belastung und möglicher Dichtungsausfall, die sonst bei einer mehrlagigen Dichtung mit unterschiedlichen Dicken ihrer Teile auftreten können.

Die Platinen 32 und 34 bestehen vorzugsweise aus rostfreiem Stahl Nr. 301 oder 304 mit einem Temper-Bereich von halb­ hart bis volle Härte. In einigen Fällen kann es erwünscht sein, die Grundplatinen 32 aus einem Nieder-Kohlenstoff- Stahl herzustellen, um Ermüdungsrisse zu minimieren, während die Anfangsgestalt beibehalten wird. Die Dicke der Platinen 32 und 34 betragt vorzugsweise etwa 0,25 mm. Die Dicke der Beschichtung aus Polytetrafluorethylen beträgt zweckmäßiger­ weise etwa 0,01-0,02 mm, während die Gummibeschichtung ein Nitril-Butadien-Gummi ist und etwa 0,025 mm dick ist. Die Scheibe 46 besteht vorzugsweise aus einem niedrig ge­ kohltem Stahl oder rostfreiem Stahl, und sie kann Zink-Dich­ romat enthalten. In einer Ausführungsform beträgt die be­ vorzugte Dicke der Scheibe 46 0,6 mm.

Fig. 3 zeigt eine Methode zum Anbringen der Dichtung, ob­ wohl auch andere Mittel verwendet werden können. In diesem Fall sind die Platinen 32 mit Hilfe von Nieten 26 in richtiger Ausrichtung oder Lage zur Scheibe 46 angebracht und gehal­ ten. Die Platine 34 ist im Bereich angrenzend an die Niete 26 zweckmäßigerweise blank. Es können aber auch andere be­ kannte Befestigungselemente benutzt werden, um die Platinen 32 oder andere Dichtungselemente zu verbinden oder anzubringen.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Dichtung mit einer Verbrennungsdichtung 48, einer Fluiddichtung 50, Grundplatinen 52, Außenplatinen 54 und einer Scheibe 56. Eine schmierfähige Hochtemperaturbeschich­ tung 58 kann auf beiden Seiten 60 und 61 der Grundplatinen 52 aufgebracht sein, während eine elastomere Beschichtung 62 auf wenigstens einer Außenseite 64 der äußeren Platinen 54 aufgebracht sein kann. Volle Wulste 66 erstrecken sich ein­ wärts im Gegensatz zu den nach außen verlaufenden Wulsten nach Fig. 2. Die äußeren Platinen 54 stehen in Kontakt mit den inneren Platinen 52 in einem Bereich angrenzend an die Verbrennungsdichtung 48, abweichend von dem Kontaktpunkt nach Fig. 2. Die teilweise ausgebildeten Wulste 48 sind ähnlich den teilweise ausgebildeten Wulsten 45 nach Fig. 2, er­ strecken sich jedoch nach außen und weg von der Verbrennungs­ dichtung 48, anstatt auf diese zu.

In jeder Ausführungsform kann eine Beschichtung selektiv auf wenigstens eine vollständige Seite einer Platine aufgebracht sein. Die Platinen und die Schichten werden dazu ausgerichtet, daß eine Beschichtung dort liegt, wo sie gewünscht ist. Hierdurch werden die Herstellungskosten deutlich reduziert, da die Be­ schichtungen nicht selektiv auf einen Teil einer Platine auf­ gebracht werden müssen, wobei andere Teile der Platine mas­ kiert werden müssen.

Modifikationen der vorbeschriebenen Ausführungsformen sind im Rahmen der Erfindung möglich. Beispielsweise können bei be­ sonderen Anwendungsfällen mehr Platinen erwünscht sein. Zusätzliche funktionelle Lagen reduzieren die Durchbiegung je Lage, wodurch auch Ermüdungsbrüche oder Risse reduziert werden. Ebenso kann es im Einzelfall erwünscht sein, weniger Platinen zu verwenden, wobei jedoch eine solche Platine dann so ausgebildet ist, daß sie zwei Arten von Beschichtun­ gen hat und damit mehr als eine Lage eines Teils einer Dich­ tung 20 darstellt. Die Verwendung von weniger Schichten führt zu weiteren Kosteneinsparungen.

Claims (11)

1. Zylinderkopfdichtung für Brennkraftmaschinen, ge­ kennzeichnet durch eine Mehrzahl von metallischen Platinen, die Schichten der Dichtung bilden, ersten und zweiten Sätzen von Öffnungen, die selektiv in den Platinen ausgebildet sind, eine erste Hochtemperatur­ beschichtung auf einer Seite einer ersten der Pla­ tinen zum Abdichten der ersten Gruppe von Öffnungen, um diese sicher abzudichten, wenn die Dichtung ange­ zogen wird, eine zweite elastomere Beschichtung auf einer Seite einer zweiten der Platinen zum Abdichten der zweiten Gruppe von Öffnungen, um diese sicher abzudichten, wenn die Dichtung angezogen wird, wobei die zweite Platine so geformt ist, daß sie einen Abstand von der ersten Gruppe von Öffnungen hat, daß ferner die äußere Oberfläche der ersten Beschichtung in flächigen Kontakt mit einem Motor gelangt, wenn die Dichtung angezogen wird, daß ferner die äußere Oberfläche der zweiten Beschichtung in flächigen Kontakt mit einem Motor gelangt, wenn die Dichtung angezogen wird, und daß eine Scheibe selektiv zwischen den bei­ den Platinen angeordnet ist und die erste Gruppe von Öffnungen umgibt.

2. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Platinen und die Scheibe all­ gemein eben und parallel ausgebildet sind, daß ferner ein Wulst in der ersten Platine ausgebildet ist, welcher die Scheibe in einer Ebene parallel zu den beiden Pla­ tinen überragt, und daß die zweite Platine einen Ab­ stand von diesem Wulst in dieser Ebene hat.

3. Zylinderkopfdichtung für eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Zylinderbohrung und wenigstens ei­ ner Fluidbohrung, gekennzeichnet durch zwei metallische Grundplatinen, von denen wenigstens eine Außenseite mit einer schmierfähigen Hochtemperaturbeschichtung über einen Hauptteil ihres Oberflächenbereiches beschich­ tet ist, zwei metallischen äußeren Platinen, von de­ nen wenigstens eine Außenseite mit einer elastomeren Beschichtung über den Hauptteil ihres Oberflächenbe­ reiches beschichtet ist, wobei jede der äußeren Pla­ tinen angrenzend an eine Außenseite von einer der Grundplatinen angeordnet ist, daß ferner wenigstens ein voller Wulst in den Grundplatinen angrenzend an die Zylinderbohrung ausgebildet ist, so daß eine Be­ lastung auf jeden vollen Wulst ausgeübt wird, wenn die Dichtung angezogen wird, daß ferner ein Basis- Wulst in den Grundplatinen und den äußeren Platinen angrenzend an die Fluidbohrung ausgebildet ist, so daß eine Belastung zuerst auf den Basis-Wulst wirkt, wenn die Dichtung angezogen wird, und daß eine Scheibe zwi­ schen den Innenscheiben der Grundplatinen angrenzend an die Zylinderbohrung angeordnet ist.

4. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die schmierfähige Hochtemperaturbeschich­ tung Polytetrafluorethylen ist.

5. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elastomere Beschichtung Gummi ist.

6. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Grundplatinen und die äußeren Pla­ tinen aus rostfreiem Stahl bestehen.

7. Zylinderkopfdichtung für Brennkraftmaschinen, gekenn­ zeichnet durch wenigstens eine Platine mit ersten und zweiten Gruppen von Öffnungen, einer äußeren, schmier­ fähigen ersten Hochtemperaturbeschichtung auf einer Seite der Platine, welche Beschichtung die erste Gruppe von Öffnungen umgibt und eine Verbrennungsdichtung um einen Zylinderkopf bildet, ferner durch eine äußere elastomere zweite Beschichtung auf einer anderen Sei­ te wenigstens einer der Platinen, welche zweite Be­ schichtung die zweite Gruppe von Öffnungen umgibt und bei den Fluidöffnungen angeordnet ist und den zusammen­ wirkenden Oberflächen eines Motors angepaßt ist, um eine wirksame Fluidabdichtung zu bewirken, wobei die zweite Beschichtung im Abstand von der ersten Gruppe von Öffnungen angeordnet ist, ferner dadurch, daß die erste und die zweite Beschichtung über den größten Teil der entsprechenden Seiten der Platine aufgebracht sind, und daß eine Scheibe selektiv um die erste Gruppe von Öffnungen angeordnet ist.

8. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die schmierfähige Hochtemperaturbeschich­ tung Polytetrafluorethylen ist.

9. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elastomere Beschichtung Gummi ist.

10. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens zwei Platinen vorgesehen sind,und daß die eine Seite und die andere Seite an separaten Platinen ausgebildet sind.

11. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese eine Seite und diese andere Seite und die Scheibe allgemein eben und parallel ausgebildet sind, daß diese eine Seite einen Wulst hat, welcher die Scheibe in einer Ebene parallel zu dieser einen Seite und zu dieser anderen Seite überragt, und daß diese andere Seite im Abstand von diesem Wulst in dieser Ebene angeordnet ist.