DE102005041826A1

DE102005041826A1 - Metallische Flachdichtung für thermisch belastete Verbindungen fluidführender Leitungen

Info

Publication number: DE102005041826A1
Application number: DE200510041826
Authority: DE
Inventors: Ralf Flemming
Original assignee: FEDERAL MOGUL SEALING SYS SpA; Federal Mogul Sealing Systems GmbH
Current assignee: FEDERAL MOGUL SEALING SYS SpA; Federal Mogul Sealing Systems GmbH
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2007-03-08
Also published as: WO2007028428A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine metallische Flachdichtung zur Abdichtung von Verbindungen zwischen fluidführenden Leitungen, wobei die Dichtung mindestens eine innere Durchgangsöffnung für das Fluid aufweist und wobei die Dichtung eine Trägerlage und eine erste Funktionslage umfasst, die auf der Trägerlage angebracht ist und mindestens eine Sicke aufweist, welche um die innere Durchgangsöffnung herum verläuft. Die Trägerlage und die erste Funktionslage bestehen aus verschiedenen Materialien, und die Trägerlage ragt von der Durchgangsöffnung nach außen über die Funktionslage hinaus.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine metallische Flachdichtung für thermisch hoch belastete Verbindungen fluidführender Leitungen. Sie betrifft insbesondere eine Auspuffdichtung für Brennkraftmaschinen mit hoher Abgastemperatur.

Dichtungen für die Verbindung von Auspuffteilen wie etwa Turbolader, Katalysator, Schalldämpfer, Krümmer und dergleichen sind hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Da eine effiziente Verbrennung möglichst hohe Temperaturen erfordert, steigen diese Belastungen bei modernen Brennkraftmaschinen weiter an.

Beispielsweise ist eine immer stärkere Verbreitung leistungsfähiger Dieselmotoren zu beobachten, die aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften besonders gut mit Turboladern harmonisieren. Ein Turbolader ist aufgrund der zwangsläufigen Position weit vorne im Abgastrakt ein gutes Beispiel eines thermisch besonders belasteten Bauteils. Dabei kann es im Betrieb mitunter bis zur Rotglut des Turboladers kommen.

Bei reinen Saugmotoren können die besonders belasteten Bauteile der Auspuffanlage auf der Motorseite soweit wie möglich einstückig gefertigt werden, zumindest bis zum heute üblichen Abgaskatalysator, der in der Regel angeflanscht ist. Bei solch einstückigen Auspuffabschnitten ist die Materialwahl weniger kritisch. Bei turbo-aufgeladenen Motoren sitzt der Turbolader zwischen Katalysator und Motor, also weiter vorne, wo höhere Abgastemperaturen vorliegen. Da es sich bei dem Turbolader üblicherweise um ein austauschbares Teil handelt, muss dieser ebenfalls angeflanscht werden, wobei die hierzu notwendigen Dichtungen weit höheren thermischen Belastungen standhalten müssen als die weiter hinten im Abgastrakt gelegenen.

Der Werkstoff der Dichtung muss an die entsprechende Temperatur angepasst werden. Die Materialkosten steigen somit mit steigender Abgas-/Flanschtemperatur an. Spezielle Materialien, wie etwa Inconel 718, sind daher für diese Dichtungen nötig. Da die Materialien kostenaufwendiger und teilweise auch weniger gut bzw. schwieriger zu verarbeiten sind, besteht ein Bedarf daran, diese hochwertigen Materialien nur dort und nur im dem Maße einzusetzen, so dass eine Dichtigkeit unter minimalem Materialeinsatz noch gewährleistet werden kann.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine metallische Flachdichtung für thermisch hoch belastete Verbindungen fluidführender Leitungen bereitzustellen, welche die notwendige Dichtigkeit sicherstellt, und bei welcher der Einsatz teurer und möglicherweise schwierig zu verarbeitender Materialien minimiert werden kann. Dadurch können sowohl die Kosten deutlich verringert werden, als auch die Verarbeitung bzw. Herstellung vereinfacht und beschleunigt werden.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine metallische Flachdichtung zur Abdichtung von Verbindungen zwischen fluidführenden Leitungen bereitgestellt. Die Dichtung weist mindestens eine innere Durchgangsöffnung für das Fluid auf, und umfasst eine Trägerlage, eine erste Funktionslage, die auf der Trägerlage angebracht ist und mindestens eine Sicke aufweist, welche um die innere Durchgangsöffnung herum verläuft.

Dabei bestehen die Trägerlage und die erste Funktionslage aus verschiedenen Materialien. Während die Funktionslage aus einem hochlegierten Material besteht, welches besonders temperaturfest ist, kann die Trägerlage aus einem einfacheren und kostengünstigeren Material ausgeführt werden. Die Trägerlage ragt von der Durchgangsöffnung nach außen über die Funktionslage hinaus.

Dadurch kann bei der erfindungsgemäßen Dichtung ein Einsatz des teuren und möglicherweise schwierig zu verarbeitenden Materials der Funktionslage auf ein Minimum beschränkt werden, während die Trägerlage aus einem kostengünstigen Material wie Federstahl oder dergleichen gefertigt werden kann. Die Funktionslage deckt nur den eigentlichen Funktionsbereich bzw. Dichtbereich ab, d.h. den Bereich, der den höchsten Temperaturen widerstehen muss, während die Trägerlage den übrigen Teil der Dichtung bildet.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Dichtung weiter eine zweite Funktionslage, die mindestens eine Sicke aufweist, welche um die innere Durchgangsöffnung herum verläuft, wobei die erste und die zweite Funktionslage auf gegenüberliegenden Flächen der Trägerlage angebracht sind. Je nach Anwendungszweck kann es genügen, nur auf einer Seite eine Funktionslage vorzusehen, etwa wenn die Abgastemperatur stark abnimmt und der folgende Abschnitt des Abgastrakts ohnehin kühler ist. Sofern beide Seiten der Dichtung aber ähnlich stark belastet werden, kann es sinnvoll sein, auf beiden Seiten die besonders hoch belastbare Funktionslage vorzusehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Trägerlage in dem Bereich plan, der von der ersten und/oder zweiten Funktionslage überdeckt wird. Da in dem Bereich, der durch die Funktionslage(n) überdeckt wird, in der Regel eine höhere Temperatur herrscht, ist es bevorzugt, dass die Trägerlage hier plan ausgeführt ist. Dies ist deswegen vorteilhaft, weil es vorkommen kann, dass die Trägerlage bei hoher Temperatur „weich" wird, so dass darin vorhandene Sicken abgeflacht werden könnten. Dies würde die Dichteigenschaften verschlechtern. Ein planer Bereich wird dagegen höchstens gestaucht bzw. das Material der Trägerlage wird geringfügig komprimiert, was die Dichteigenschaften nicht wesentlich beeinträchtigt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Trägerlage in dem Bereich, der von der ersten und/oder zweiten Funktionslage überdeckt wird, eine Sicke auf. Dies kann z.B. dazu dienen, die Funktionslage formschlüssig mit der Trägerlage zu verbinden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist/weisen die erste und/oder die zweite Funktionslage mindestens zwei Sicken auf. Mehr als eine Sicke kann die Dichteigenschaften verbessern, und auch die Steifigkeit der Dichtung hier erhöhen. Dies wird allerdings mit einer erhöhten radialen Ausdehnung zumindest der Funktionslage erkauft.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Trägerlage in dem Bereich, der über die Funktionslage hinausragt, mindestens eine Sicke auf. Dadurch wird im „Kaltbereich" der Dichtung eine zusätzliche Dichtigkeit erreicht, wobei hier keine Gefahr besteht, dass die Sicke aufgrund des thermisch nicht so hoch belastbaren Materials der Trägerlage bei hohen Temperaturen weich und abgeflacht oder sogar eingeebnet wird. Das Eindringen von Fremdkörpern, Gasen und Flüssigkeiten von der Außenseite wird wirksam verhindert.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Trägerlage um die Kante der ersten Funktionslage herumgefalzt, die der Durchgangsöffnung zugewandt ist. Dadurch fungiert die Trägerlage als Stopper für die Funktionslage, d.h. durch die Materialverdickung infolge der Umfalzung wird eine Einebnung der Sicke(n) der Funktionslage(n) verhindert.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Trägerlage in dem Bereich, der über die Funktionslage hinausragt, Befestigungsmittel zum Anbringen eines Hitzeschildes auf. Die Vorteile eines Hitzeschildes bzw. der Möglichkeit, einen solchen anzubringen, werden im Zusammenhang mit 3 beschrieben.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Dichtung weiter einen Hitzeschild, der an der Trägerlage angebracht ist, z.B. mit den oben. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind Trägerlage und Hitzeschild einstückig ausgebildet.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Dichtung weiter eine Beschichtung, die auf der ersten und/oder der zweiten Funktionslage aufgebracht ist, um die Mikrodichteigenschaften zu verbessern.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Funktionslage um die Kante der Trägerlage herumgefalzt, die der Durchgangsöffnung zugewandt ist. Dadurch wird der direkte Kontakt zwischen Trägerlage und fluidem Medium verhindert. Da die Trägerlage weniger resistent gegenüber der Einwirkung des Fluids sein kann (z.B. bei Federstahl), wird hierdurch die Innenkante der Trägerlage geschützt.

1 zeigt eine Flachdichtung gemäß der Erfindung in einer Aufsicht;
2a–2e zeigen Ausführungsformen der Flachdichtung gemäß der Erfindung, in einer Schnittansicht entsprechend der Linie A-A in 1; und
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Flachdichtung gemäß der Erfindung.
Es soll angemerkt werden, dass die folgende Beschreibung in erster Linie auf Auspuffanlagen von Brennkraftmaschinen Bezug nimmt, wobei die erfindungsgemäße Dichtung aber ebenso für alle vergleichbaren Dichtaufgaben geeignet ist, d.h. für alle Situationen, in denen thermisch hoch belastete Verbindungen zwischen fluidführenden Leitungen abgedichtet werden müssen, d.h. die entsprechenden Fluide sehr hohe Temperaturen aufweisen. Während bei Brennkraftmaschinen die Fluide gasförmige Abgase sind, funktioniert die erfindungsgemäße Dichtung in anderen Situationen ebenso mit Flüssigkeiten oder entsprechenden Gemischen.
1 ist eine Aufsicht einer erfindungsgemäßen Flachdichtung 1, die in diesem Beispiel eine Durchgangsöffnung 6 für ein Fluid, beispielsweise Abgase eines Turbodieselmotors, aufweist. Ebenso sind in analoger Weise auch Dichtungen mit mehr als einer solchen Öffnung möglich. Auf einer Trägerlage 2 ist eine Funktionslage 4 angebracht, wobei die Trägerlage 2 über die Funktionslage 4 nach außen hinausragt. Die Funktionslage 4 überdeckt also nur einen Teil der Trägerlage, ist aber in jedem Fall um die Durchgangsöffnung herum geschlossen.
Zwei Befestigungsbohrungen 8 sind für die Befestigung der Dichtung z.B. an einem Turbolader und dem restlichen Teil einer Auspuffanlage in der Trägerlage 2 vorgesehen. Die Trägerlage 2 und die Funktionslage 4 bestehen aus unterschiedlichen Materialien, wobei die Funktionslage 4 aus einem hochlegierten Material wie etwa Inconel 718 besteht, wohingegen die Trägerlage aus einem einfacheren Material wie etwa Federstahl besteht. Die Funktionslage 4 deckt also nur den eigentlichen Funktionsbereich ab, während die Restfläche von der Trägerlage 2 abgedeckt wird.
Dadurch wird es möglich, das hochwertigere und somit in der Regel teurere und je nach Beschaffenheit auch aufwendiger zu bearbeitende Material der Funktionslage 4 nur in dem Funktionsbereich einzusetzen, während der Rest der Dichtung aus einem einfacheren aber günstigeren Material ausgeführt werden kann. So ist es unter anderem auch möglich, die Befestigungselemente 8, etwa Löcher für Befestigungsbolzen oder -Schrauben, in dem günstigeren und möglicherweise leichter zu bearbeitenden Material vorzusehen, und nicht in der hochwertigen Funktionslage.
Die 2a bis 2e zeigen verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dichtung, die alle Schnittansichten darstellen, die entlang der Linie A-A von 1 aufgenommen sind. Dabei ist jeweils die rechte Seite in der Figur die nach innen weisende, d.h. dem Fluid ausgesetzte Seite (angedeutet durch die Strichpunktlinien). In 3 ist dies umgekehrt die linke Seite.
In 2a ist eine Variante gezeigt, in welcher die Funktionslage 4 zwei Vollsicken für eine verbesserte Abdichtung aufweist. Die Trägerlage 2 weist hier ebenfalls eine Vollsicke auf. Der Bereich der Trägerlage 2, welcher von der Funktionslage 4 überdeckt wird, ist plan ausgeführt. Die Sicke in dem zur Außenseite weisenden Bereich der Trägerlage 2 übernimmt eine zusätzliche Abdichtfunktion im „kalten" Außenbereich.
2b stellt eine Variante dar, in der die Funktionslage 4 eine Halbsicke aufweist. In der Trägerlage 2 ist eine entsprechende Halbsicke vorhanden. Wie bei der Ausführungsform von 2a ist die Trägerlage 2 mit einer im Außenbereich gelegenen Vollsicke versehen.
2c ist im Wesentlichen identisch zu der Variante von 2a, wobei die Sicke im Außenbereich der Trägerlage 2 hier jedoch als eine Halbsicke ausgeführt ist.
2d stellt eine vereinfachte Version der Dichtung von 2c dar, bei der die Funktionslage 4 statt zwei Vollsicken nur eine Vollsicke aufweist. Die Anzahl der Sicken kann je nach gewünschten Dichtungseigenschaften variiert werden, wobei mehr Sicken eine verbesserte Abdichtung bewirken, während weniger Sicken für eine entsprechend geringere radiale Ausdehnung der Funktionslage sorgen.
In 2e ist eine spezielle Ausführungsform der Dichtung gezeigt. Hier fungiert die Trägerlage 2 zusätzlich auch als Stopper für die gesickte Funktionslage 4. Durch ein Umfalzen der Trägerlage 2 um die innere Kante der Funktionslage 4 wird wirkungsvoll verhindert, dass die Sicken in der Funktionslage 4 vollständig eingeebnet werden, so dass ihre Funktion erhalten bleibt.
In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann in analoger Weise auch die Funktionslage um die Trägerlage herumgefalzt sein, wodurch die Trägerlage, die aus einem weniger widerstandsfähigen Material bestehen kann, noch besser gegenüber heißen Abgasen oder dergleichen geschützt ist.
3 ist eine Schnitt-Darstellung einer erweiterten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung, die weiter einen Hitzeschild 12 aufweist. Ein solcher Hitzeschild 12 kann etwa dazu dienen, temperaturempfindliche Bauteile an einem Fahrzeug vor Wärmestrahlung und -Konvektion zu schützen. Da z.B. ein Turbolader durchaus zur Rotglut gebracht werden kann, ist dies je nach Lage anderer Bauteile ein nicht zu vernachlässigender Faktor. Kunststoffummantelte Kabel, Schläuche oder dergleichen sollten beispielsweise keiner großen Temperatur ausgesetzt werden. Insbesondere bei engen Platzverhältnissen ist es aber möglicherweise unvermeidlich, sie in der Nähe heißer Bauteile wie Turboladern, Katalysatoren oder dergleichen zu verlegen. In solchen Fällen kann ein zusätzlicher Hitzeschild eine Beschädigung verhindern.
Zwei Bauteile sind gemäß diesem Beispiel zu verbinden, etwa ein Turbolader 10' mit einem weiteren Teil 10 des Abgastrakts. Die erfindungsgemäße Dichtung weist in dieser Ausführungsform eine Trägerlage 2 mit zwei auf entgegengesetzten Seiten angebrachten Funktionslagen 4 und 4' auf. An der Trägerlage 2 sind hier allerdings zusätzlich Befestigungsmittel 14 für eine Befestigung eines Hitzeschilds 12 vorgesehen. In dem gezeigten Beispiel handelt es sich hierbei um Bohrungen, in denen der Hitzeschild 12 mittels Nieten, Schrauben oder dergleichen befestigt wird. Ebenso möglich sind Ausbildungen, um den Hitzeschild mechanisch einzurasten, oder andere an sich bekannte Befestigungsmechanismen.
Da stark hitzebeständige Werkstoffe (beispielsweise MICA) für die Funktionslage(n) teilweise so beschaffen sind, dass eine Anbringung eines Hitzeschilds nicht möglich ist, stellt diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtung im Gegensatz dazu die Möglichkeit bereit, einen solchen Schild einfach anzubringen bzw. Befestigungsmöglichkeiten dafür vorzusehen. In der Trägerlage, die z.B. aus einem Federstahl besteht, können problemlos Befestigungsmittel dafür vorgesehen werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die Trägerlage selbst als Hitzeschild fortgebildet werden, bzw. ist mit diesem einstückig verbunden.
Bei der erfindungsgemäßen Dichtung können die einzelnen Lagen beispielsweise durch Punkt- oder Laserschweißen miteinander verbunden werden, oder sie können eine formschlüssige Verbindung aufweisen. Die Funktionslage(n) kann/können zusätzlich mit einer Beschichtung versehen werden, durch welche die Mikrodichteigenschaften verbessert werden, d.h. etwa mikroskopische Unebenheiten des Werkstoffs der Funktionslage ausgeglichen werden.

Claims

Metallische Flachdichtung (1) zur Abdichtung von Verbindungen zwischen fluidführenden Leitungen (10, 10'), wobei die Dichtung (1) mindestens eine innere Durchgangsöffnung (6) für das Fluid aufweist, und wobei die Dichtung (1) umfasst: – eine Trägerlage (2); – eine erste Funktionslage (4), die auf der Trägerlage (2) angebracht ist und mindestens eine Sicke aufweist, welche um die innere Durchgangsöffnung (6) herum verläuft; wobei – die Trägerlage (2) und die erste Funktionslage (4) aus verschiedenen Materialien bestehen; und – die Trägerlage (2) von der Durchgangsöffnung (6) nach außen über die Funktionslage (4) hinausragt.
Dichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend: – eine zweite Funktionslage (4'), die mindestens eine Sicke aufweist, welche um die innere Durchgangsöffnung (6) herum verläuft; wobei die erste und die zweite Funktionslage (4, 4') auf gegenüberliegenden Flächen der Trägerlage (2) angebracht sind.
Dichtung nach Anspruch 1, wobei – die Trägerlage (2) in dem Bereich, der von der ersten und/oder zweiten Funktionslage (4, 4') überdeckt wird, plan ist.
Dichtung nach Anspruch 1, wobei – die Trägerlage (2) in dem Bereich, der von der ersten und/oder zweiten Funktionslage (4, 4') überdeckt wird, eine Sicke aufweist.
Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die erste und/oder die zweite Funktionslage (4, 4') mindestens zwei Sicken aufweist/aufweisen.
Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die Trägerlage (2) in dem Bereich, der über die erste Funktionslage (4) hinausragt, mindestens eine Sicke aufweist.
Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerlage (2) um die Kante der ersten Funktionslage (4) herumgefalzt ist, die der Durchgangsöffnung (6) zugewandt ist.
Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die Trägerlage (2) in dem Bereich, der über die erste Funktionslage (4) hinausragt, Befestigungsmittel (14) zum Anbringen eines Hitzeschildes (12) aufweist.
Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: – einen Hitzeschild (12), der an der Trägerlage (2) angebracht ist.
Dichtung nach Anspruch 9, wobei – die Trägerlage (2) und der Hitzeschild (12) einstückig ausgebildet sind.
Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: – eine Beschichtung, die auf der ersten und/oder der zweiten Funktionslage (4, 4') aufgebracht ist, um die Mikrodichteigenschaften zu verbessern.
Dichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Funktionslage (4) um die Kante der Trägerlage (2) herumgefalzt ist, die der Durchgangsöffnung (6) zugewandt ist.