WO2006045351A1 - Zylinderkopfdichtung - Google Patents

Abstract

Zylinderkopfdichtung mit einer mindestens eine Metallblechlage (10) aufweisenden Dichtungsplatte und mindestens einem in der letzteren angeordneten Sensor­element (22') zur Erfassung von Änderungen des bei eingebauter Dichtung auf einen das Sensorelement (22') aufnehmenden Bereich der Dichtungsplatte ein­wirkenden Drucks; damit sich mit einer solchen Zylinderkopfdichtung im Motorbetrieb dauerhaft und zuverlässig Änderungen des auf die Dichtungs­platte einwirkenden Drucks erfassen lassen, wird die Dichtung so gestaltet, daß die Blechlage der Dichtungsplatte mindestens in einem Meßstellenbereich federelastische Eigenschaften aufweist und die Dichtungsplatte so ausgebildet ist, daß der Meßstellenbereich durch eine Änderung des zu erfassenden Drucks auf Biegung beansprucht wird und dadurch eine federelastischen Formänderung erfährt, die durch ein dem Meßstellenbereich zugeordnetes Sensorelement (22') zur Erzeugung eines der Formänderung entsprechenden Sensorsignals erfaßbar ist.

Description

Zylinderkopfdichtung

Die Erfindung befaßt sich mit Zylinderkopfdichtungen, in die ein oder mehrere Sensorelemente zur qualitativen Erfassung der zeitlichen Gasdruckänderungen in den Zylindern (Brennräumen) von Hubkolben-Verbrennungsmotoren inte¬ griert sind, wobei die durch die Sensorelemente erzeugten elektrischen Signale sowohl der Überwachung des Verbrennungsvorgangs, als auch der Steuerung des Brennverlaufs dienen können. Derartige Zylinderkopfdichtungen mit inte¬ grierter Sensorik ergeben sich zum Beispiel aus der WO 91/18198 der Elring Dichtungswerke GmbH und der DE-199 13 092-A1, wobei die Dichtungsplatten dieser Zylinderkopfdichtungen im wesentlichen metallisch sein und eine Metallblechlage oder mehrere übereinander angeordnete Metallblechlagen (üblicherweise Stahlblechlagen) aufweisen können. In die sich aus der WO 91/18198 ergebenden Zylinderkopfdichtungen sind mehrere Sensor¬ elemente integriert, die in der Dichtungsplatte der jeweiligen Dichtung so an¬ geordnet sind, daß eine zylinderselektive Überwachung bzw. Steuerung des Brennverlaufs möglich ist. In diesem Zusammenhang sei noch betont, daß für eine Überwachung bzw. Steuerung des Brennverlaufs grundsätzlich eine qualitative Messung der Druckänderungen mit ausreichender Zeitauflösung ausreichend ist.

In der WO 91/18198 wird unter anderem eine Zylinderkopfdichtung beschrie- ben, deren Dichtungsplatte ein Trägerblech aufweist, auf dessen beide Seiten jeweils eine sogenannte Weichstoffschicht aufgebracht ist (derartige in der Dichtungstechnik verwendete Weichstoffschichten bestehen üblicherweise aus Fasermaterial und einem elastomeren Bindemittel), und in eine der Weichstoff¬ schichten sind drucksensitive, plättchenartige Sensorelemente aus piezoelek¬ trischem oder piezoresistivem Material eingebettet, mit denen sich Ände¬ rungen des Drucks erfassen lassen, der bei eingebauter Zylinderkopfdichtung von den Motorbauteil-Dichtflächen des Zylinderkopfs und des Motorblocks auf die Dichtungsplatte der Zylinderkopfdichtung ausgeübt wird. Da derartige Sensorelemente nicht komprimierbar sind, ist die Kompressibilität der Weich¬ stoffschichten, welche eine elastische Unterlage für die Sensorelemente bilden, von Bedeutung, da bei einer starren Unterlage die keramischen Materialien, aus denen die in Rede stehenden Sensorelemente bestehen, unter der im

Motorbetrieb auftretenden dynamischen Druckbelastung auf die Dauer zerstört werden würden; außerdem bildet diese elastische Unterlage einen Weg-Kraft- Wandler, der die Änderungen des Abstands der beiden Motorbauteil-Dicht¬ flächen, zwischen denen die Zylinderkopfdichtung eingespannt ist, in Ände- rungen des auf die Sensorelemente einwirkenden Drucks umsetzt - Gas¬ druckänderungen in den Zylindern bzw. Brennräumen eines Hubkolben-Ver¬ brennungsmotors führen zu Änderungen der (wegen der durch die Zylinder¬ kopfschrauben aufgebrachten und deshalb örtlich unterschiedlichen Einspann¬ kräfte) ohnehin bereichsweise unterschiedlichen Abstände der beiden Motor- bauteil-Dichtflächen voneinander, weil der bei der Zündung eines Zylinders auftretende hohe Spitzendruck zu einer Aufwölbung des Zylinderkopfs und damit der Zylinderkopf-Dichtfläche führt. Eine elastische Unterlage für ein Sensorelement unterliegt aber im Motorbetrieb nicht nur elastischen und damit reversiblen Verformungen, sondern zeigt auf die Dauer auch plastische Setz- erscheinungen, die zu einer Verschiebung des Arbeitspunkts des Sensorele¬ ments im Kraft-Weg-Diagramm und somit zu einer Änderung der Charakte¬ ristik des weiter zu verarbeitenden Sensorsignals führt. Bei der vorstehend geschilderten, sich aus der WO 91/18198 ergebenden Zylinderkopfdichtung messen die Sensorelemente die Änderungen der in den Zylindern herrschenden Drücke indirekt, nämlich über Messungen der von den Druckänderungen hervorgerufenen Abstandsänderungen der Motorbauteil- Dichtflächen und der damit einhergehenden Änderungen des von den Motor¬ bauteil-Dichtflächen auf die Zylinderkopfdichtung ausgeübten Drucks.

Moderne Zylinderkopfdichtungen haben eine mindestens im wesentlichen metallische Dichtungsplatte aus einer Metallblechlage oder mehreren überein¬ ander angeordneten Metallblechlagen, jedoch ohne eine Weichstoffschicht, wie sie vorstehend beschrieben wurde und eine elastische Unterlage zum Beispiel für ein Sensorelement aus Piezokeramik bilden könnte.

In der DE-199 13 092-A1 wird anhand der Figuren 7 bis 12 eine dreilagige metallische Zylinderkopfdichtung beschrieben, bei der eine mittlere, als Trägerblech bezeichnete Blechlage einen Schlitz aufweist, der sich vom äuße¬ ren Rand des Trägerblechs bis in die Nähe eines Brennraum-Durchgangs¬ öffnung der Dichtungsplatte erstreckt; in diesen Schlitz wird ein längliches Sensorelement eingelegt, bei dem es sich um ein Thermoelement handelt, dessen Meßspitze am inneren Schlitzende in der Nähe der Brennraum-Durch¬ gangsöffnung liegt. In der DE-199 13 092-A1 werden zwar auch andere Sensorelemente aufgeführt, nämlich Dehnungsmeßstreifen, piezoelektrische, piezoresistive, kapazitive, magnetische, elektromagnetische und Wirbelstrom- Sensoren sowie Lichtwellenleiter, mit denen sich Bewegungen innerhalb der Zylinderkopfdichtung und Bewegungen der gegen die Zylinderkopfdichtung anliegenden Motorbauteil-Dichtflächen, verursacht durch Druckänderungen in den Brennräumen, gemessen werden sollen, ohne daß angegeben werden würde, wie sich dies im Motorbetrieb bewerkstelligen lassen soll, und zwar ins¬ besondere ohne eine Zerstörung solcher Sensorelemente im Laufe des Motor¬ betriebs.

Durch die vorliegende Erfindung sollte eine Zylinderkopfdichtung mit einer mindestens im wesentlichen metallischen Dichtungsplatte geschaffen werden, mit der sich im Motorbetrieb dauerhaft und zuverlässig Änderungen des auf die Dichtungsplatte einwirkenden Drucks erfassen lassen.

Ausgehend von einer Zylinderkopfdichtung mit einer mindestens eine Metall¬ blechlage aufweisenden Dichtungsplatte und mindestens einem in der Dich¬ tungsplatte angeordneten Sensorelement zur Erfassung von Änderungen des bei eingebauter Dichtung auf einen das Sensorelement aufnehmenden Bereich der Dichtungsplatte einwirkenden Drucks läßt sich diese Aufgabe erfindungs¬ gemäß dadurch lösen, daß die Blechlage der Dichtungsplatte mindestens in einem Meßstellenbereich federelastische Eigenschaften aufweist und die Dich¬ tungsplatte so ausgebildet ist, daß der Meßstellenbereich durch eine Änderung des zu erfassenden Drucks auf Biegung beansprucht wird und dadurch eine federelastische Formänderung erfährt, die durch ein dem Meßstellenbereich zugeordnetes Sensorelement zur Erzeugung eines der Formänderung ent¬ sprechenden Sensorsignals erfaßbar ist.

Anders als bei der vorstehend beschriebenen, sich aus der WO 91/18198 er- gebenden bekannten Zylinderkopfdichtung wird bei einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung das Sensorelement also nicht auf Druck beansprucht, sondern auf Zug bzw. Dehnung oder Biegung, das heißt eine erfindungs¬ gemäße Zylinderkopfdichtung macht von dem an sich bekannten Biegebalken- Meßprinzip Gebrauch, wobei Änderungen der Durchbiegung des Biegebalkens entweder direkt von den Brenngasen oder durch Bewegungen der Dichtflächen von Zylinderkopf und Motorblock relativ zueinander (senkrecht zur

Dichtungsebene) hervorgerufen werden. Für Zylinderkopfdichtungen geeignete Miniatur-Biegebalken-Sensorelemente sind auf dem Markt verfügbar, zum Beispiel in Form von Halbleiter- oder Piezo-Dehnungsmeßstreifen, die auf dem Markt sogar mit eingebauter Temperaturkompensation angeboten werden. Änderungen der Durchbiegung des Meßstellenbereichs einer Metallblechlage einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung lassen sich grundsätzlich aber auch mit bekannten Sensorelementen anderer Art erfassen, zum Beispiel mit induktiven> kapazitiven und optischen Wegsensoren, und geeignete Wirbel¬ stromsensoren werden beispielsweise in dem Aufsatz "Investigation of the Cylinder Head to Crankcase Motions on a Specific Bimetal Engine" von Czernik et al., SAE Technical Paper Series, 1989, beschrieben.

Bei einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung, bei der das Sensorelement bei einer Formänderung des Meßstellenbereichs auf Dehnung oder Biegung beansprucht wird, bedarf es nicht einer elastischen Unterlage, wie sie vor¬ stehend bezüglich des bekannten Standes der Technik beschrieben wurde. Eine erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung kann ohne weiteres so gestaltet werden, daß der Meßstellenbereich und das auf Biegung oder Zug bzw. Deh¬ nung beanspruchte Sensorelement im Motorbetrieb immer nur im Bereich reversibler Formänderungen beansprucht werden, so daß die Haltbarkeit des Meßsystems und die Konstanz der Charakteristik des Sensorsignals gewähr¬ leistet sind. Mit einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung lassen sich aber nicht nur die geschilderten Druckänderungen erfassen, sondern bei ge¬ eigneter Verarbeitung des Sensorsignals auch Betriebstemperaturen. Selbst¬ verständlich lassen sich mit einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung eine klopfende Verbrennung, Zündaussetzer und die Lage des Druckmaxi- mums der Brenngase (bezogen auf den Kurbelwellendrehwinkel) erfassen. Schließlich kann, wie sich aus dem folgenden noch ergeben wird, das erfin- dungsgemäße Meßsystem ohne weiteres so gestaltet werden, daß es sehr flach baut und sich damit in einer Zylinderkopfdichtung mit einer sehr flachen Dichtungsplatte unterbringen läßt.

Wenn sich im Motorbetrieb ein über dem Meßstellenbereich einer erfindungs¬ gemäßen Zylinderkopfdichtung liegender Bereich der Zylinderkopf-Dichtfläche der Motorblock-Dichtfläche nähert, wird der Meßstellenbereich der Zylinder¬ kopfdichtung nach unten gedrückt, und da sich das Sensorelement üblicher- weise unterhalb des Meßstellenbereichs befinden wird, empfehlen sich Aus¬ führungsformen der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung, bei denen die Dichtungsplatte mehrere (mindestens zwei) übereinander angeordnete Metall¬ blechlagen aufweist, von denen eine erste den Meßstellenbereich bildet und einer zweiten Blechlage unmittelbar benachbart ist, in welcher ein Ausweich- räum für den verformten Meßstellenbereich (und gegebenenfalls das Sensor¬ element bzw. einen Teil des Sensorelements) vorgesehen ist. Wenn es nur darum geht, Platz für ein Sensorelement zum Beispiel in Form eines Deh¬ nungsmeßstreifens zu schaffen, kann man aber auch auf der Unterseite des Meßstellenbereichs eine in die den Meßstellenbereich bildende Blechlage ins- besondere eingeprägte Vertiefung vorsehen, welche das Sensorelement auf¬ nimmt, so daß eine zweite Blechlage mit in dieser vorgesehenem Ausweich¬ raum nicht erforderlich ist. Im Falle des Vorhandenseins einer solchen zweiten Blechlage empfiehlt es sich, in dieser auch einen Kanal zur Aufnahme einer zum Sensorelement führenden Signalleitung vorzusehen.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zylinderkopf- dichtung ist das Sensorelement flexibel und mit dem Meßstellenbereich derart fest verbunden, daß es bei einer Änderung des zu erfassenden Drucks eine der Formänderung des Meßstellenbereichs entsprechende Formänderung erfährt. In diesem Fall wird dann das Sensorelement bei einer Formänderung des Me߬ stellenbereichs auf Biegung oder Zug bzw. Dehnung beansprucht, und bei dem Sensorelement handelt es sich bevorzugt um einen herkömmlichen Deh¬ nungsmeßstreifen oder um eine Piezofolie, die so polarisiert ist, daß sich, wird die Piezofolie auf Zug oder Biegung beansprucht, zwischen den beiden Hauptoberflächen der Piezofolie deren elektrischer Widerstand ändert oder eine elektrische Potentialdifferenz entsteht.

Bei einer ersten Gruppe von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung bildet der Meßstellenbereich der Metallblechlage eine geprägte, napf- oder wannenförmige Auswölbung der Blechlage, auf deren konkaver Seite das Sensorelement angebracht ist. Eine Erhöhung des auf die Blechlage einwirkenden Drucks hat dann eine elastische, reversible Abflachung der Auswölbung zur Folge, mit der eine Beanspruchung des Sensorelements auf Biegung einhergeht.

Bei einer zweiten Gruppe von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung wird der Meßstellenbereich von einem zungen- oder stegartigen Bereich der Blechlage gebildet, der bei ungepreßter Dichtung über die Blechlage vorspringt und bei einer Erhöhung des auf die Zylinderkopfdich¬ tung einwirkenden Drucks federelastisch und damit reversibel der von der Blechlage definierten Ebene angenähert oder gar von einer Aussparung der Blechlage aufgenommen wird, welche bei der Erzeugung des zungen- oder stegartigen Bereichs in der Blechlage entstanden ist. Im ungepreßten Zustand weist ein solcher Meßstellenbereich eine Wölbung (in der Seitenansicht) auf, in deren Bereich das Sensorelement am Meßstellenbereich angebracht ist.

Hat der von einer Blechlage der Dichtungsplatte gebildete Meßstellenbereich eine geprägte Auswölbung, die in Richtung auf eine der Zylinderkopfdichtung benachbarte Dichtfläche eines Motorbauteils, insbesondere eines Zylinder¬ kopfs, vorspringt und auf deren konkaver Seite das Sensorelement angebracht ist, kann die Ausübung eines Drucks auf die konvexe Seite dieser Auswölbung sprunghafte Formänderungen des die Auswölbung bildenden Bereichs der be- treffenden Blechlage zur Folge haben, die darauf zurückzuführen sind, daß beim Ausüben eines Drucks auf die konvexe Seite der Auswölbung deren Flanken zunächst gestaucht werden, und diese sprunghaften Formänderungen wirken sich nachteilig auf die Qualität des durch das Sensorelement zu ge¬ winnenden Meßsignals aus. Zur Beseitigung dieses in manchen Fällen auf- tretenden Problems wird vorgeschlagen, die erfindungsgemäße Zylinderkopf¬ dichtung so zu gestalten, daß das Sensorelement von derjenigen Metallblech¬ lage, auf die durch eine benachbarte Motorbauteil-Dichtfläche zeitlich vari¬ ierende Drücke ausgeübt werden, getrennt und an einer anderen Metallblech¬ lage der Dichtungsplatte angeordnet wird, auf die die Formänderungen der die zeitlich variierenden Drücke aufnehmenden Metallblechlage durch letztere übertragen werden. Konstruktiv läßt sich dies dadurch verwirklichen, daß die Dichtungsplatte mehrere übereinander angeordnete Metallblechlagen aufweist, von denen eine an einer Außenseite der Dichtungsplatte liegende erste Außenlage in einem Meßstellenbereich auf ihrer dem Inneren der Dichtungs¬ platte zugewandten Seite einen Vorsprung aufweist, welcher bei eingebauter Zylinderkopfdichtung gegen einen ebenen, zur Dichtungsplattenebene unge- fähr parallelen und federelastische Eigenschaften aufweisenden Sensor¬ element-Trägerbereich einer ersten Innenlage der Dichtungsplatte anliegt, wobei das Sensorelement auf der von der ersten Außenlage abgewandten Seite des Sensorelement-Trägerbereichs angebracht ist, und daß in einer dritten Metallblechlage der Dichtungsplatte, welche auf der von der ersten Außenlage abgewandten Seite der ersten Innenlage angeordnet ist, ein Aus¬ weichraum für das Sensorelement vorgesehen ist. Dieser Ausweichraum kann so gestaltet sein, daß das Sensorelement schon bei unverformtem Meßstellen- bereich in den Ausweichraum hineinragt und dann, wenn der Meßstellenbe¬ reich der ersten Außenlage aufgrund einer Druckeinwirkung in Richtung auf die erste Innenlage ausgelenkt wird, auch einen Ausweichraum für den verformten Sensorelement-Trägerbereich der ersten Innenlage bildet.

Der Vorsprung der ersten Außenlage könnte dadurch gebildet werden, daß auf die dem Inneren der Dichtungsplatte zugewandte Seite der ersten Außenlage z. B. ein kleines Plättchen aufgebracht wird, bevorzugt hat der Vorsprung aber die Gestalt einer geprägten Auswölbung der ersten Außenlage. Damit eine solche geprägte Auswölbung beim Ausüben eines Drucks auf die erste Außen¬ lage keinesfalls sprunghafte Formänderungen erfährt, wird empfohlen, die Auswölbung im Querschnitt ungefähr kreisbogenförmig zu gestalten, so daß sie insbesondere die Gestalt einer kleinen Kugelkalotte hat. Damit das Sensorelement gegen Beschädigungen aufgrund mechanischer Ein¬ wirkungen auf die Dichtungsplatte von außen geschützt ist, wird schließlich empfohlen, die Dichtungsplatte auf der von der ersten Innenlage abgewandten Seite der dritten Metallblechlage mit einer vierten Metallblechlage zu versehen, welche sich mindestens über den als fensterartigen Ausschnitt in der dritten Metallblechlage gestalteten Ausweichraum erstreckt, gegebenenfalls auch noch über einen schlitzartigen Kanal in der dritten Metallblechlage, welcher der Auf¬ nahme einer zum Sensorelement führenden Signalleitung dient. Der Aus¬ weichraum und dieser Kanal könnten aber auch die Form von geprägten Ver- tiefungen in der dritten Metallblechlage haben, und in diesem Fall könnte die vierte Metallblechlage entfallen.

Zur Erzielung eines qualitativ möglichst guten Sensorsignals empfiehlt es sich, den Meßstellenbereich einer Brennraum-Durchgangsöffnung der Dichtungs- platte möglichst nahe benachbart anzuordnen und so das Sensorelement dieser Brennraum-Durchgangsöffnung zuzuordnen, und bei einer Zylinder¬ kopfdichtung für einen Mehrzylindermotor lassen sich die Gasdruckänderungen in den Zylindern zylinderspezifisch am besten dann erfassen, wenn jeder Brennraum-Durchgangsöffnung der Dichtungsplatte ein Meßstellenbereich samt Sensorelement zugeordnet ist, obwohl es grundsätzlich auch möglich ist, mit einem einzigen Meßstellenbereich samt Sensorelement zu arbeiten, wenn nämlich das Sensorsignal unter Berücksichtigung der momentanen Dreh¬ winkelstellung der Kurbelwelle verarbeitet wird, was natürlich einen der Kurbelwelle zugeordneten Drehwinkelsensor voraussetzt.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der bei¬ gefügten zeichnerischen Darstellung sowie der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zylinderkopf¬ dichtung; in der Zeichnung zeigen:

Fig. IA eine Draufsicht auf einen Teil einer Metallblechlage einer ersten, zweilagigen Ausführungsform, wobei es sich bei dieser Blechlage um die bei eingebauter Zylin¬ derkopfdichtung dem Motorblock zugewandte Lage handeln soll;

Fig. IB eine Draufsicht auf einen entsprechenden Teil der anderen Metallblechlage, die bei eingebauter Dichtung dem Zylinderkopf zugewandt sein soll;

Fig. IC einen Schnitt durch den den Figuren IA und IB ent- sprechenden Teil der Zylinderkopfdichtung gemäß der

Linie C-C in Fig. IB;

Figuren 2A bis 2C den Figuren IA bis IC entsprechende Darstellungen bzw. 3A bis 3C einer zweiten, dritten und vierten Ausführungsform der bzw. 4A bis 4C erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung, und

Figur 5 einen den Figuren IC, 2C, 3C und 4C entsprechenden

Schnitt durch eine fünfte Ausführungsform der erfin¬ dungsgemäßen Zylinderkopfdichtung.

Die Fig. IA zeigt einen Bereich einer Metallblechlage 10 einer zwei Blechlagen umfassenden Dichtungsplatte einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung, und zwar einen Teil derjenigen Blechlage, die bei eingebauter Zylinderkopf¬ dichtung gegen eine Dichtfläche des Motorblocks anliegen soll. Der in Fig. Ia gezeigte Teil der Blechlage 10 enthält einen Teil einer Brennraumöffnung 12, zwei dieser benachbarte Schraubenlöcher 14 für Zylinderkopfschrauben, zwei Wasserlöcher 16 für den Durchtritt des Kühlmittels, ein ungefähr rechteckiges Fenster 18 für einen später noch zu erörternden Zweck und einen Schlitz 20, der von der Peripherie der Blechlage 10 zum Fenster 18 führt. Die bei einer Metallagendichtung üblichen Abdichtsicken, von denen eine die Brennraum¬ öffnung 12 kreisförmig und in sich geschlossen umschließen kann und andere die Schraubenlöcher 14 und Wasserlöcher 16 umschließen können, wurden nicht dargestellt; bei diesen Sicken kann es sich um sogenannte Voll- oder sogenannte Halbsicken handeln, die in ihrer Höhe federelastisch verformbar sind, so daß dann die Blechlage 10 aus einem Federstahlblech herzustellen wäre.

In Fig. IB wurden dieselben Bezugszeichen wie in Fig. IA verwendet, jedoch unter Hinzufügung eines Strichs, weshalb die Fig. IB nur noch insoweit be¬ schrieben werden soll, als die in ihr dargestellte Metallblechlage 10' von der Metallblechlage 10 abweicht. Der in Fig. IB gezeigte Bereich der Blechlage 10' ist bei der fertiggestellten Dichtung über dem in Fig. IA gezeigten Bereich der Blechlage 10 angeordnet, so daß die Brennraumöffnungen 12, 12', die Schrau¬ benlöcher 14, 14' und die Wasserlöcher 16, 16' exakt übereinander liegen und miteinander deckungsgleich sind. In der fertigen Zylinderkopfdichtung soll die Blechlage 10' diejenige Lage bilden, die bei eingebauter Zylinderkopfdichtung gegen die Dichtfläche des Zylinderkopfs anliegt. In der Blechlage 10' wurde durch Stanzen ein zungenförmiger Meßstellenbereich 18' erzeugt, wobei die Wurzel der Zunge, wie aus Fig. IB ersichtlich, rechts und das freie Zungen¬ ende links liegt. In der fertigen Zylinderkopfdichtung befindet sich der zungenförmige Meßstellenbereich 18' über dem Fenster 18.

Wie in Fig. IC dargestellt, ist auf die Unterseite des zungenförmigen Me߬ stellenbereichs 18' ein folienartiges Sensorelement 22' aufkaschiert, zum Bei¬ spiel mit einem dauerhaften und temperaturbeständigen Klebstoff aufgeklebt; bei dem Sensorelement 22' soll es sich zum Beispiel um einen Dehnungsme߬ streifen oder um einen piezoelektrischen oder piezoresistiven Piezofolien-Sen- sor handeln. Bei ungepreßter Zylinderkopfdichtung ist der zungenförmige Me߬ stellenbereich 18' - wie in Fig. IC dargestellt - bogenförmig nach oben ge¬ krümmt und steht über die Blechlage 10' etwas über. Bei eingebauter und im Motorbetrieb mehr oder minder stark gepreßter Zylinderkopfdichtung wird der zungenförmige Meßstellenbereich 18' samt Sensorelement 22' reversibel nach unten gedrückt, wobei das Fenster 18 einen Ausweichraum für das Sensor¬ element 22' bildet. Eine Signalleitung, die vom Sensorelement 22' wegführt, wurde nicht dargestellt und verläuft bei gepreßter Zylinderkopfdichtung im Schlitz 20.

In den Figuren 2A bis 2C, 3A bis 3C und 4A bis 4C wurden für die zweite, dritte und vierte Ausführungsform dieselben Bezugszeichen wie in den Figuren IA bis IC verwendet, jedoch unter Erhöhung um 200 bzw. 300 bzw. 400. Infolge¬ dessen sollen diese weitere Ausführungsformen im folgenden nur noch inso¬ weit beschrieben werben, als sie von der ersten Ausführungsform gemäß den Figuren IA bis IC abweichen. Wie sich aus den Figuren 2B und 2C ergibt, ist bei der zweiten Ausführungs¬ form der Meßstellenbereich 218' als wannenförmige Auswölbung gestaltet, welche in die Blechlage 210' eingeprägt wurde, und auf der Unterseite der Blechlage 210' befindet sich wieder ein aufkaschiertes Sensorelement 222', insbesondere in Form eines Dehnungsmeßstreifens, der sich bei gepreßter Zylinderkopfdichtung in ein Fenster 218 in der Blechlage 210 verlagern läßt, welches ungefähr die Gestalt eines länglichen Rechtecks hat. Bei einer Druck¬ beanspruchung dieser Zylinderkopfdichtung wird der Meßstellenbereich 218' reversibel mehr oder minder stark abgeflacht.

Bei der in den Figuren 3A bis 3C dargestellten dritten Ausführungsform hat der Meßstellenbereich 318' die Gestalt einer in die Blechlage 310' eingeprägten napfförmigen Auswölbung, und auf die Unterseite der Blechlage 310' wurde wieder ein Sensorelement 322' in Form eines Dehnungsmeßstreifens auf- kaschiert, das sich bei mit Druck beaufschlagter Zylinderkopfdichtung in ein ungefähr kreisförmiges Fenster 318 in der Blechlage 310 verdrängen läßt.

Während bei der dritten Ausführungsform der Meßstellenbereich 318' die Form einer abgeflachten napfförmigen Auswölbung hat, ist bei der in den Figuren 4A bis 4C dargestellten vierten Ausführungsform der Meßstellenbereich 418' kugelkalottenförmig gestaltet; in diesem Unterschied erschöpfen sich die Ab¬ weichungen der vierten Ausführungsform von der dritten Ausführungsform, so daß eine weitere Beschreibung der Figuren 4A bis 4C nicht erforderlich ist.

Die Fig. 5 zeigt einen Teil einer Dichtungsplatte 500 einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung im Schnitt und läßt auch einen Teil einer Brennraum¬ öffnung 502 in der Dichtungsplatte erkennen. Bei der dargestellten Ausführungsform hat die Dichtungsplatte 500 fünf aufeinander angeordnete Metallblechlagen, nämlich eine erste Außenlage 510, unmittelbar neben dieser eine erste Innenlage 512, eine gegen die letztere anliegende dritte Metall¬ blechlage 514, eine vierte Metallblechlage 516 und schließlich eine zweite Außenlage 518. Wie dies bei mehrlagigen metallischen Zylinderkopfdichtungen der Fall ist, sind die verschiedenen Metallblechlagen der Dichtungsplatte 500 durch nicht dargestellte Mittel so miteinander verbunden, daß sie sich nicht relativ zueinander in der Dichtungsplattenebene, d. h. gemäß Fig. 5 in hori¬ zontaler Richtung, verschieben lassen.

In die erste Außenlage 510 ist eine Auswölbung eingeprägt, welche einen (bei eingebauter Zylinderkopfdichtung) gegen die erste Innenlage 512 anliegenden Vorsprung 520 bildet, der in einer Draufsicht auf die erste Außenlage 510 ungefähr kreisförmig und im Querschnitt ungefähr kreisbogenförmig ist; der mit dem Vorsprung 520 versehene Bereich der ersten Außenlage 510 definiert bzw. stellt dar einen Meßstellenbereich der Dichtungsplatte 500. Mindestens in diesem Meßstellenbereich hat die erste Außenlage 510 derartige federelasti¬ sche Eigenschaften, daß wenn die erste Außenlage 510 im Meßstellenbereich mit einem Druck beaufschlagt und dann wieder entlastet wird, der Meßstellen- bereich der ersten Außenlage 510 gemäß Fig. 5 nach unten elastisch ausge¬ lenkt wird und dann wieder zurückfedert, ohne daß allerdings die den Vor¬ sprung 520 bildende geprägte Auswölbung nennenswert abgeflacht wird.

Die erste Innenlage 512 ist eben und hat gleichfalls (mindestens im Meß- Stellenbereich der Dichtungsplatte 500) federelastische Eigenschaften. An der Unterseite der ersten Innenlage 512 ist ein Sensorelement 522 in Form eines folienartigen Dehnungsmeßstreifens angebracht, z. B. mit einem dauerhaften und temperaturbeständigen Klebstoff aufgeklebt. Eine vom Sensorelement 522 weg führende Signalleitung in Form einer flachen Leiterbahn wurde mit 524 bezeichnet - auch diese Signalleitung kann z. B. mittels eines geeigneten Kleb¬ stoffs an der ersten Innenlage 512 befestigt sein. Um die Signalleitung 524 zwischen der ersten Außenlage 510 und der ersten Innenlage 512 zum Rand der Dichtungsplatte 500 herauszuführen, ist in der ersten Innenlage 512 eine fensterartige Öffnung 526 vorgesehen, durch die die Signalleitung 524 hin¬ durchgeführt ist.

Die dritte Metallblechlage 514 hat im Meßstellenbereich eine z. B. ausgestanzte fensterartige Öffnung, welche einen Ausweichraum 528 bildet, in den das Sen¬ sorelement 522 schon bei ungepreßter Zylinderkopfdichtung etwas eingreifen soll und welcher, wenn im Meßstellenbereich ein Druck auf die erste Außenlage 510 ausgeübt wird, einen Ausweichraum für das Sensorelement 522 und den dieses tragenden Bereich der ersten Innenlage 512 bildet, gegebenenfalls zu¬ sammen mit einem Zwischenraum zwischen der dritten Metallblechlage 514 und der vierten Metallblechlage 516. An die den Ausweichraum 528 bildende fensterartige Öffnung der dritten Metallblechlage 514 schließt sich ein in dieser Metallblechlage vorgesehener schlitzartiger Kanal 530 an, der sich bis in den Bereich der Öffnung 526 in der ersten Innenlage 512 erstreckt und die Signal¬ leitung 524 aufnimmt.

Der Ausweichraum 528, das Sensorelement 522 und der Kanal 530 werden von der vierten Metallblechlage 516 überdeckt, welche gegen einen auf sich selbst zurückgefalteten, die Brennraumöffnung 502 umschließenden Rand¬ bereich 514a der dritten Metallblechlage 514 anliegt. Bei einer solchen Zylinderkopfdichtung könnte die vierte Metallblechlage 516 eine zweite Außenlage der Dichtungsplatte 500 bilden, wie die Fig. 5 zeigt, weist die Dichtungsplatte 500 jedoch noch eine weitere Metallblechlage auf, nämlich die zweite Außenlage 518, in die ebenso wie in die erste Außenlage 510 eine als sogenannte Vollsicke ausgebildete Sicke 534 eingeprägt ist, welche als Abdichtelement die Brennraumöffnung 502 ringförmig umgibt; außerdem sind die erste Außenlage 510 und die zweite Außenlage 518 noch mit jeweils einer Halbsicke 536 versehen, die der Abdichtung von mit einem Motorkühlmittel durchströmten Bereichen zwischen Zylinderkopf und Motor- block dienen.

Wirken auf die eingebaute Zylinderkopfdichtung gemäß Fig. 5 zeitlich wech¬ selnde Drücke ein, wird der Vorsprung 520 zeitlich unterschiedlich stark gemäß Fig. 5 nach unten ausgelenkt und gegen die erste Innenlage 512 gepreßt, mit der Folge, daß der unter dem Vorsprung 520 liegende Bereich der ersten Innenlage 512 zeitlich unterschiedlich stark elastisch nach unten durchge¬ bogen und infolgedessen das Sensorelement 522 zeitlich unterschiedlich stark gedehnt wird, was zu einem an der Signalleitung 524 abgreifbaren Meßsignal führt, welches die zeitlich wechselnde Druckbeanspruchung der Dichtungs- platte 500 in deren Meßstellenbereich widerspiegelt.

Die Metallblechlage bzw. die Metallblechlagen einer erfindungsgemäßen Zylin¬ derkopfdichtung kann bzw. können noch ein- oder beidseitig vollflächig oder partiell mit einer insbesondere aus elastomerem Material bestehenden dünnen Beschichtung versehen sein, wie dies von im wesentlichen metallischen Zylin¬ derkopfdichtungen her bekannt ist.

Claims

Patentansprüche

1. Zylinderkopfdichtung mit einer mindestens eine Metallblechlage auf¬ weisenden Dichtungsplatte und mindestens einem in der Dichtungsplatte angeordneten Sensorelement zur Erfassung von Änderungen des bei ein¬ gebauter Dichtung auf einen das Sensorelement aufnehmenden Bereich der Dichtungsplatte einwirkenden Drucks, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechlage der Dichtungsplatte mindestens in einem Meßstellen¬ bereich federelastische Eigenschaften aufweist und die Dichtungsplatte so ausgebildet ist, daß der Meßstellenbereich durch eine Änderung des zu erfassenden Drucks auf Biegung beansprucht wird und dadurch eine federelastische Formänderung erfährt, die durch ein dem Meßstellen¬ bereich zugeordnetes Sensorelement zur Erzeugung eines der Form¬ änderung entsprechenden Sensorsignals erfaßbar ist.

2. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement ein solches aus der Gruppe folgender Sensoren ist: piezoelektrische, piezoresistive, kapazitive, induktive (Wirbelstrom-), optische Sensoren und Dehnungsmeßstreifen.

3. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsplatte mehrere übereinander angeordnete Metallblech¬ lagen aufweist, von denen eine erste den Meßstellenbereich bildet und einer zweiten Blechlage unmittelbar benachbart ist, in welcher ein Aus¬ weichraum für den verformten Meßstellenbereich vorgesehen ist.

4. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement auf der der zweiten Blechlage zugekehrten Seite des ersten Blechlage angeordnet ist.

5. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Blechlage ein Kanal zur Aufnahme einer zum Sensorelement führenden Signalleitung vorgesehen ist.

6. Zylinderkopfdichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement flexibel und mit dem Meßstellenbereich derart fest verbunden ist, daß es bei einer Änderung des zu erfassenden Drucks eine der Formänderung des Meßstellen¬ bereichs entsprechende Formänderung erfährt.

7. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement die Gestalt einer Folie hat.

8. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement die Gestalt eines Folienstreifens hat.

9. Zylinderkopfdichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsplatte mehrere übereinander angeordnete Metallblechlagen aufweist, von denen eine an einer Außenseite der Dichtungsplatte liegende erste Außenlage in einem Meßstellenbereich auf ihrer dem Inneren der Dichtungsplatte zuge¬ wandten Seite einen Vorsprung aufweist, welcher bei eingebauter Zylin¬ derkopfdichtung gegen einen ebenen, zur Dichtungsplattenebene unge¬ fähr parallelen und federelastische Eigenschaften aufweisenden Sensor¬ element-Trägerbereich einer ersten Innenlage der Dichtungsplatte an¬ liegt, wobei das Sensorelement auf der von der ersten Außenlage abge¬ wandten Seite des Sensorelement-Trägerbereichs angebracht ist, und daß in einer dritten Metallblechiage der Dichtungsplatte, welche auf der von der ersten Außenlage abgewandten Seite der ersten Innenlage an¬ geordnet ist, ein Ausweichraum für das Sensorelement vorgesehen ist.

10. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung eine geprägte Auswölbung der ersten Außenlage ist.

11. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswölbung im Querschnitt ungefähr kreisbogenförmig gestaltet ist.

12. Zylinderkopfdichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Metallblechlage mindestens im Bereich des Sensorelements eben ist.

13. Zylinderkopfdichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausweichraum von einer Öffnung der dritten Metallblechlage gebildet wird.

14. Zylinderkopfdichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Metallblechlage einen Kanal zur Aufnahme einer zum Sensorelement führenden Signalleitung aufweist.

15. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsplatte auf der von der ersten Innenlage abgewandten Seite der dritten Metallblechlage eine vierte Metallblechlage aufweist, welche sich mindestens über den Ausweichraum und den Kanal erstreckt.

16. Zylinderkopfdichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstellenbereich eine geprägte, napf- oder wannenförmige Auswölbung der Blechlage bildet, auf deren konkaver Seite das Sensorelement angebracht ist.

17. Zylinderkopfdichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstellenbereich ein zungen- oder stegartiger Bereich der Blechlage ist, welcher bei ungepreßter Dichtung über die Blechlage vorspringt.

18. Zylinderkopfdichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden An¬ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstellenbereich einer Brennraum-Durchgangsöffnung der Dichtungsplatte benachbart und das Sensorelement dieser Brennraum-Durchgangsöffnung zugeordnet ist.

19. Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brennraum-Durchgangsöffnung der Dichtungsplatte ein Me߬ stellenbereich samt Sensorelement zugeordnet ist.