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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Zylinderkopfabdichtung für Kraftfahrzeugmotoren zur Anordnung zwischen
dem Zylinderkopf und Motorblock eines Kraftfahrzeugmotors,
wobei die Dichtung aus einem im allgemeine flachen, dehnbaren
Hauptdichtungskörper mit mindestens zwei
Verbrennungsöffnungen zur fluchtenden Anordnung mit Verbrennungskammern des
Motors und einer Verbrennungskammerabdichtung für jede
Verbrennungsöffnung besteht, wobei jede Verbrennungskammerabdichtung
einen metallischen, ringförmigen im Querschnitt massiven,
kreisförmigen Dichtungsring umfaßt und der Dichtungsring
getrennt von dem Dichtungskörper hergestellt und innerhalb der
Verbrennungskammeröffnung zur Abdichtung der
Verbrennungskammer in Umfangsrichtung angeordnet ist. Eine
Zylinderkopfabdichtung dieser Bauart ist aus der US-A-4,369,980 bekannt.
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Die genannte Zylinderkopfabdichtung umfaßt einen Körper, der
eine Zylinderöffnung bildet, wobei ein Feuerring in der
Öffnung enthalten ist, bestehend aus einem radial inneren
Dichtungsring, der unter Kompression verformt ist, um eine
Dichtung zwischen dem Zylinderkopf und der Zylinderhülse zu
bilden, einem radial äußeren und verstärkenden Ring, der
zwischen dem Dichtungsring und dem Dichtungskörper angeordnet
ist und radial nach innen gegen den inneren Dichtungsring
gepreßt wird, wobei eine Einfassung aus Metall die Ringe umfaßt
und mit dem Dichtungskörper fest verbindet sowie unter
Kompression gegenüber dem Zylinderkopf und Zylinderblock
abgedichtet ist, um die Zylinderkopfabdichtung zu bilden.
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Die GB-A-2 097 872 beschreibt eine Zylinderkopfabdichtung,
bestehend aus einem Paar äußerer Metallplatten, mit von den
Öffnungen der Zylinderbohrung weg nach außen gerichteten,
darin geformten Wellen. Eine zusammengesetzte metallische
Distanzplatte ist zwischen den Platten angeordnet und hat
eine mittlere Weichmetallschicht sowie Oberflächenschichten
aus Hare mit jenen verbunden oder integral ausgebildet sind.
Die metallische Distanzplatte erstreckt sich in die Nähe der
einzelnen Zylinderbohrungsöffnungen und ist in der Nähe
dieser
Öffnungen auf jeder axialen Stirnseite mit sich über den
Umfang erstreckenden Rifflungen mit V-förmigem radialen
Profil versehen. Die Dicke der Distanzplatte, gemessen über die
Spitzen der Riffelungen, bevor die Dichtung installiert wird,
ist etwas größer als diejenige des Restes der Distanzplatte,
während die Dicke, gemessen zwischen den Mulden der
Riffelungen, wesentlich geringer als des übrigen Teils der
Distanzplatte ist.
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Der Konstrukteur für Dichtungen steht einem weiten Bereich
von Problemen gegenüber, insbesondere bei den heute üblichen
Motoren geringeren Gewichtes mit Motoren, die aus Werkstoffen
und Materialgemischen hergestellt werden, die im Betrieb viel
eher zu einer Formänderung neigen als dies bei
konventionellen Motoren und Materialien zehn, zwanzig und dreißig Jahre
früher der Fall war. Heute stellen solche Umstände und
Bedingungen, wie z. B. ein Wärmestau ernste Probleme für den
Entwurf wirksamer Verbrennungsraumabdichtungen dar. Ferner
müssen auch andere Umstände, wie z. B. mögliche
Bohrungsformänderungen, die sich aus der Konstruktion der Dichtung ergeben,
in Betracht gezogen werden.
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So wird intensiv nach verbesserten Konstruktionen für
Zylinderkopfdichtungen und für Mechanismen für eine effektive
Abdichtung von Verbrennungsraumöffnungen gesucht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine verbesserte
Zylinderkopfabdichtung für Kraftfahrzeuge zur Anordnung
zwischen dem Kopf und Block eines Kraftfahrzeugmotors
vorgesehen. Die Verbesserung ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Verbrennungskammerabdichtung eine mehrstufige Abdichtung
der Verbrennungskammer ist, welche aus gezogenem Draht mit
stumpf verbundenen Enden gebildet ist und ein integrales Paar
von metallischen, im Querschnitt massiven, kreisförmigen
Dichtungsringabschnitten umfaßt, die in der
Verbrennungsöffnung zur Abdichtung der Verbrennungskammer in
Umfangsrichtung angeordnet sind, wobei einer der
metallischen, runden Dichtungsringabschnitte radial innerhalb
des anderen liegt, ein erster Ringabschnitt radial verformbar
und kompressibel ist sowie eine vertikale Abmessung hat, die
größer als diejenige eines zweiten Ringabschnittes ist, und
der genannte erste Ringabschnitt eine kompressible
Anfangsdichtung bildet und der zweite Ringabschnitt im
Betrieb radial weniger verformbar und komprimierbar ist sowie
beide eine zweite Abdichtung und Widerstandsfähigkeit
gegenüber einem termischen Stau im Betrieb bilden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt der erste
Abschnitt radial innerhalb des zweiten Abschnitts und ist im
radialen Querschnitt im allgemeinen kreisförmig. Wahlweise
kann der Abschnitt des Ringes mit der größeren senkrechten
Abmessung radial außerhalb des dünneren Abschnitts liegen.
Bei einer anderen Ausführungsform ist der radiale Querschnitt
des ersten Abschnitts im allgemeinen keilförmig.
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Vorzugsweise wird der Ring aus gezogenem Draht gebildet,
wobei die Enden stumpf gegeneinanderliegend miteinander
verbunden sind.
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Weitere Aufgaben Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich im folgenden aus der Zeichnung und
Beschreibung.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Es zeigen:
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Fig. 1 eine Draufsicht einer typischen Zylinderkopfabdichtung
unter Verwendung der Grundsätze der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 2 einen Schnitt im wesentlichen längs der Linie 2-2 in
Figur 1, wobei die Abdichtung zwischen einem Kopf und
einem Block eines Motors angeordnet und zur Kompression
zwischen diesen und in abdichtender Berührung mit diesen
bereit ist;
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Fig. 3 eine vergrößerte Draufsicht des Dichtungsringes in
Figur 2;
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Fig. 4 ein vergrößerter Querschnitt im wesentlichen längs der
Linie 4-4 in Figur 3;
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Fig. 5 ein Schaubild der Lastablenkung in einem Vergleich der
Lastablenkung eines typischen Runddrahtes und eines
Dichtungsringes der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 6 eine vergrößerte Draufsicht eines alternativen
Dichtungsringes der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 7 ein vergrößerter Querschnitt im wesentlichen längs der
Linie 7-7 in Figur 6;
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Fig. 8 eine vergrößerte Draufsicht auf einen weiteren
Dichtungsring der vorliegenden Erfindung; und
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Fig. 9 einen vergrößerten Querschnitt im wesentlichen längs
der Linie 9-9 in Figur 8.
Beschreibung der derzeit bevorzugten Ausführungsformen
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Es sei zunächst auf die Figuren 1-4 Bezug genommen, in denen
eine Zylinderkopfabdichtung 10 der vorliegenden Erfindung zu
sehen ist, welche einen im allgemeinen ebenen Hauptdichtungs
körper 12 umfaßt, der eine Mehrzahl von Verbrennungsöffnungen
16, geeignete Öl-, Wasser-, und Bolzenöffnungen 15 und eine
Armierung 14 für die Verbrennungsöffnungen 16 aufweist. In
Figur 1 hat eine Zylinderkopfabdichtung 10 drei
Verbrennungsöffnungen 16 zur Verwendung bei der Abdichtung
eines Motorblocks B mit Zylinderbohrungen C und einem
Zylinderkopf H (Figur 2), wie sie für eine Seite eines V-6
Motors typisch ist.
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Der Hauptdichtungskörper 12 kann typischerweise ein Laminat,
wie einen durchlochten oder soliden metallischen Kern 30 und
ein Paar Außenschichten 32 umfassen. Die Außenschichten 32
bestehen aus einem faserverstärkten zusammengesetzten
Material und dienen als Beschichtung des Kerns 30. Die
bekanntesten und am meisten verwendeten Außenschichten
enthalten Glas- oder andere Fasern und gewöhnlich Nitrit,
Neopren oder Polyacryl enthaltende Elastomere, um die sich
selbst unterhaltenden (eigenstabilen) Außenschichten
vorzusehen. Bei der dargestellten Ausführungsform können die
Außenschichten eine Dicke von etwa 0,381 mm (0,015 Zoll)
aufweisen, obwohl diese mit der Anwendung verändert werden
kann. Die Außenschichten 32 sind im allgemeinen gegenüber
einer Zersetzung durch Öle und Kühlmittel widerstandsfähig,
halten das Drehmoment aufrecht, verringern
Extrusionserscheinungen auf ein Minimum und sind gegenüber
Hitze widerstandsfähig.
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Der Hauptdichtungskörper 12 ist gestanzt oder gepreßt, wie z.
B. mit einer Stanzmaschine, einer Gesenkpresse, Stanzpresse
oder einer anderen geeigneten Ausrüstung, um drei
Verbrennungsöffnungen, Bolzenlöcher und mehrere
Flüssigkeitsdurchgänge, z. B. für Öl- und Wasserdurchgänge (15), zu
bilden. Ein typischer Zylinderkopfabdichtungskörper mit der in
Figur 1 gezeigten Form kann eine Dicke von etwa 1,016 mm
(0,040 Zoll) aufweisen. Andere Formen und Dicken können in
Abhängigkeit von der Konfiguration und den Erfordernissen der
Motoren verwendet werden, bei denen die Dichtungsanordnung
verwendet werden soll.
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Bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 und 2 ist eine
Armierung 14 zu sehen, die aus einem runden Körper 36, z. B. aus
Stahl, besteht, in der ein Dichtungsring 40 angeordnet ist.
Der Körper 36 ist im allgemeinen im Querschnitt U-förmig und
kann um den Dichtungsring 40 in bekannter und üblicher Weise
herum geformt sein. Der Armierungskörper 36 ist vor der
Verbrennungskammer oder Zylinderbohrung C in üblicher Weise
angeordnet. Der Dichtungsring 40 befindet sich in einer
üblichen Position, die durch einen Dichtungsring eingenommen
wird, nämlich dicht an dem geschlossenen Ende des
Armierungskörpers 36, wie in Figur 2 deutlich zu sehen ist.
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Ein typischer Dichtungsring 40 gemäß der voliegenden
Erfindung ist in den vegrößerten Ansichten in Fig. 3 und 4 zu
sehen. Wie dort gezeigt ist, besteht der Dichtungsring 40 aus
einem Paar integral geformter, runder Abschnitte. Ein
Abschnitt 42 liegt radial innerhalb des anderen Abschnitts 44.
Wie aus Fig. 4 deutlich zu sehen ist, hat der Abschnitt 42
eine größere senkrechte Abmessung als der Abschnitt 44. Daher
bildet der Abschnitt 42 die Anfangsdichtung, wenn die
Dichtungsanordnung komprimiert wird. Der Abschnitt 42 ist in
Betrieb sofort deformierbar und kompressibel, um eine erste
Abdichtungskraft um die Verbrennungsöffnung herum vorzusehen.
Wenn der Dichtungsabschnitt 42 auf die Dicke (die senkrechte
Abmessung oder Höhe) des zweiten Abschnitts 44 verformt und
komprimiert ist, setzt der zweite Abschnitt einer weiteren
Kompression einen Widerstand entgegen, und zwar teilweise
wegen ihrer relativen Länge und daher Massivität, und bildet
ebenso eine zweite Dichtung. Der zweite Abschnitt verfügt
über eine wesentliche Steifigkeit im Vergleich zu dem ersten
Abschnitt, weil er einer weiteren wesentlichen Kompression
Widerstand entgegensetzt. Der Dichtungsring 40 hat daher eine
mehrstufige, variable Federkonstante im Vergleich zu dem
typischen runden Querschnitt oder anderen üblichen
Dichtungsringen.
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Obwohl runde Dichtungsringe typischerweise aus gezogenem
Draht hergestellt worden sind, der zu einem Ring geformt und
stumpf verschweißt ist, sind Drahtringe mit typischer
Spezialform durch maschinelle Herstellung derselben geformt
worden. Es ist vorgeschlagen worden, wie in dem oben
erwähnten Pohl-Patent, daß die speziell geformten Drahtringe
auch aus gezogenem Draht hergestellt werden können. Bei der
vorliegenden Anwendung wird der Dichtungsring 40 vorzugsweise
aus Draht geformt, der auf dem gezeigten Querschnitt gezogen
und dann in die erforderliche Form geformt wird, wie z. B.
die gezeigte Kreisform, um die Zylinderbohrung zu umgeben.
Die Drahtenden sind vorzugsweise quer geschnitten und stumpf
miteinander durch Schweißen oder Löten, wie bei 46,
verbunden, um die Integrität des Dichtungsringes 40
aufrechtzuerhalten. So ist die Herstellung des Ringes
effizient und wirtschaftlich und wird nicht mit speziellen
Berarbeitungs- und Montageverfahren belastet, die meistens
für speziellen Zwecken dienende Dichtungsringe verwendet
werden oder den Einsatz spezieller Nachpreßwerkzeuge oder
dergleichen erfordern.
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Wie ersichtlich, gehen die beiden Ringabschnitte 42, 44
ineinander über. Der hochkomprimierbare Abschnitt 42 ist an
einem Ende positioniert (wie im Querschnitt gezeigt), und der
steifere Abschnitt 44 ist am anderen Ende positioniert. So
erstreckt sich der versteifende, zweite Abschnitt 44 nur von
einer Seite des hochkomprimierbaren Abschnitts 42, so daß
jeder in den gewünschten, genauen relativen Positionen oder
Stellen positioniert werden kann, um die mehrstufige
Abdichtung zu vervollständigen. Ferner ist die Gestaltung des
hochkomprimierbaren Abschnitts so vorgesehen, das er die
Flächen des Zylinderkopfes und Zylinderblocks nicht merklich
einkerbt. Wo eine merkliche Einkerbung auftritt und es
notwendig ist, eine Dichtungsanordnung auszutauschen, müssen die
gekerbten Block- und Kopfflächen nachgearbeitet werden, um
eine wirksame Abdichtung zu gewährleisten. Dies ist
typischerweise nicht notwendig mit der Dichtungsanordnung der
vorliegenden Erfindung. Ein typisches Material für einen
Dichtungsring 40 der vorliegenden Erfindung kann ein
Kupferdraht sein, der bei 371.11ºC (700ºF) gehärtet wurde.
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Fig. 5 ist ein Kraft-Durchbiegungsdiagramm, in dem die Kraft-
Durchbiegungswerte eines typischen runden Kupferdrahtes mit
einem Durchmesser von 1.1684 mm (0.046 Zoll) und eines
Dichtungsringes 40, wie er in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist,
verglichen werden. Der verwendete Dichtungsring 40 hat einen
ersten Abschnitt 42, der im allgemeinen kreisförmig ist und
einen Durchmesser von 1.2192 mm (0.048 Zoll) hat. Der Lappen
oder zweite Abschnitt 44 ist 1.016 mm (0.040 Zoll) dick und
annähernd 1.016 mm (0.040 Zoll) lang, gemessen vom Vorsprung
des kreisförmigen ersten Abschnitts.
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Wie Fig. 5 zeigt, hat der runde Draht (Kurve 1) eine im
allgemeinen
kontinuierliche, graduelle
Kraft-Durchbiegungscharakteristik, wenn die Druckbelastung bis zu einem Maximum
ansteigt. Der zweistufige Dichtungsring (Kurve 2) der
vorliegenden Erfindung hat eine anfänglich graduell zunehmende
Kraft-Durchbiegung, die zu derjenigen des Runddrahtes
parallel verläuft, die aber dann während der zweiten Stufe scharf
zunimmt, d. h., wenn die Höhe oder Dicke des ersten
Abschnitts auf diejenige des zweiten Abschnitts verringert
wird. So bleibt, unter einer gegebenen Druckbelastung, die
Gesamtdicke des Dichtungsringes der vorliegenden Erfindung,
während eine hochwirksame Abdichtung hervorgerufen wird.
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Dies hat eine Anzahl von wichtigen Vorteilen. Z. B. hat sich
der Wärmeschub zu einem zunehmend ernsten Problem entwickelt.
Im Betrieb heizen sich Motoren auf. Wenn dies bei derzeit
üblichen Motorwerkstoffen auftritt, neigt der Zylinderkopf
vielfach zum Expandieren und damit zu einer weiteren
Kompression der Dichtung und ihrer zugehörigen Teile, z. B.
der Drahtringe. Wenn ein typischer Runddraht unpassend
komprimiert wird, nimmt seine Dicke an einer Stelle derart
ab, daß, wenn ein Motor abkühlt und wieder gestartet wird,
der Draht
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unwirksam wird, die notwendige Dichtung zur Verfügung zu
stellen, bis der Motor sich wieder aufgeheizt hat. Es kann
ein Ausblasen auftreten, bis der Motor sich aufgewärmt hat.
Als Ergebnis wird die Ausgangsleistung des Motors verringert
und es kann ein Schaden aufgrund des Ausblasens auftreten. Es
ist aus Fig. 5 ersichtlich, daß der Dichtungsring der
vorliegenden Erfindung diese schädlichen Möglichkeiten auf
ein Minimum reduziert.
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Es ist verständlich, daß der Dichtungsring 40 mit einer
Armierung verwendet werden kann, wie sie dargestellt ist oder,
wo geeignet oder erwünscht, ohne eine oder außerhalb einer
Armierung in unmittelbar gegenüberliegender Anordnung zu dem
Kopf und Block (oder irgendeiner zugehörigen Zylinderhülse).
Die Form des Abschnitts 44 ist für eine unmittelbare
Befestigung
an einem Dichtungskörper geeignet.
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Obwohl ein Dichtungsring 40 aus Kupfer beschrieben worden
ist, können andere Werkstoffe, wie z. B. Stahl oder
bimetallische Werkstoffe verwendet werden. Ein typischer
Bimetallring kann aus einem Bimetallstreifen, wie z. B. einem
Kupfer/Stahlstreifen, gezogen werden, um eine Konfiguration
ähnlich der in Fig. 3 und 4 vorzusehen, wobei der erste,
kreisförmige Abschnitt (der dickere Abschnitt) aus Kupfer und
der zweite Abschnitt aus Stahl besteht, und die
Zwischenflächen im allgemeinen in der Zone des Vorsprungs der
gestrichelten Umfangslinie des in Fig. 4 gezeigten Kreises
liegen.
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Der Dichtungsring 40 aus Kupfer hat bei vielen Anwendungen
Vorteile, z. B., wenn er mit Aluminiummotoren verwendet wird,
wo eine Brinelhärtung vermieden werden kann, die
typischerweise bei Stahlringen auftritt. Die zweite Stufe
(zweiter Abschnitt) vermittelt eine Ausblasfestigkeit, die
Steifigkeit, radiale und Rundfestigkeit sowie eine minimale
Entspannung der typischen Drahtringe und dient als ein
Anschlag, jedoch ohne die schädlichen Wirkungen typischer
Stahldrähte. Tatsächlich ist die zweite Stufe in Fig. 5
ähnlich derjenigen eines runden Stahldrahtes. Ferner ist die
integrale Eigenschaft des Dichtungsringes der vorliegenden
Erfindung besonders vorteilhaft im Vergleich zu früheren
Anwendungen mehrteiliger Dichtungsringe, wie z. B. zweier
Runddrähte, um eine Verbrennungsöffnung abzudichten. Es ist eine
viel bessere Kontrolle möglich und es werden die mit der
Toleranzänderung verbundenen Probleme bei mehrteiligen
Dichtungsanordnungen beseitigt.
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Andere Anordnungen und Konfigurationen von Dichtungsringen
gemäß der vorliegenden Erfindung können ebenso verwendet
werden. So zeigen beispielsweise Fig. 6 und 7 einen
Dichtungsring 50, der in ähnlicher Weise zu denjenigen in
Fig. 4 und 5 hergestellt ist und aus ähnlichen Werkstoffen
besteht, bei dem jedoch der erste Abschnitt 52 und der zweite
Abschnitt 54 vertauscht sind. Mit dieser Anordnung wird der
Haupt- oder Anfangsdichtungsabschnitt 52 nach außen bewegt
und hat den Vorteil, daß die Auswirkung des Dichtungsringes
auf die Deformation der Bohrung verringert wird.
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In Fig. 8 und 9 ist der Dichtungsabschnitt 62 eines
Dichtungsringes 60 keilförmig ausgebildet. Der Ring 60 kann in
der Weise, in der der Ring 40 hergestellt wird, fabriziert
werden und kann aus dem gleichen Material bestehen. Hierdurch
werden gewisse selbstvertärkende Eigenschaften und eine
Neigung hervorgerufen, den ersten Dichtungsabschnitt 62 unter
Belastung zurück in Richtung des zweiten Dichtungsabschnitts
64 zu drücken. Dies führt zu einer Steigerung der
Dichtungsbeanspruchung der Dichtung unter Zündungsbedingungen
des Motors.
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So ist deutlich, daß durch Änderung des Geometrie- und
Formfaktors der Ringabschnitte die Federcharakteristik und andere
Eigenschaften verändert werden können, um die Eigenschaften,
wie z. B. unter anderem eine adequate Kompressibilität und
Ausblaswiderstandsfähigkeit, geändert werden können, während
indessen immer die mehrstufigen, veränderlichen
Federkennungseigenschaften durch die Grundform der vorliegenden
Erfindung erreicht werden. Es ist in der Tat ersichtlich, daß,
obwohl ein zweistufiger Ring beschrieben worden ist, eine
dritte Stufe mit Vorteil unter gewissen Umständen vorhanden
sein kann.