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Die Erfindung betrifft eine Zylinderkopfdichtung
zwischen dem Zylinderkopf und dem Zylinderblock einer Brennkraftmaschine,
bestehend aus einem koaxial zu der Zylinderbohrung angeordneten zylindrischen
Ring, der sich einerseits in einer der Außenform des Ringes angepassten
Eindrehung im oberen Randbereich der Zylinderbohrung gasdicht abstützt und
andererseits in eine Ringnut des Zylinderkopfes hineinragt, in der
Umfangsbereiche des Ringes zum Abdichten des Brennraumes mit Hilfe der
auftretenden hohen Gasdrücke
elastisch gegen die Seitenward der Ringnut gepresst werden. Ferner betrifft
die Erfindung eine Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Anspruchs
7.
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Zylinderkopfdichtungen werden bislang überwiegend
aus relativ weichem Material ausgeführt und zwischen Zylinderblock
einerseits und dem Zylinderkopf andererseits eingelegt. Durch Zylinderkopfschrauben
werden Zylinderblock und Zylinderkopf miteinander verspannt, bis
eine plastische Verformung der Zylinderkopfdichtung eintritt und
durch Eindringen der Zylinderkopfdichtung in die Unebenheiten des
Zylinderkopfes eine Gasdichte Verbindung erzielt wird. Durch ungleiches
Anziehen der Zylinderkopfschrauben und durch Kriechvorgänge im Material können aber
derartige Zylinderkopfdichtungen mit der Zeit ihre Dichtwirkung
verlieren.
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Nachteilig ist es bei Verwendung
dieser Dichtungen vor allem, dass zum Erreichen optimaler Dichtwirkungen
eine sehr hoher Klemmkraft aufgebracht werden muss, um an jeder
Stelle der verformbaren Flachdichtungselemente die ausreichende plastische
Verformung und Klemmung zum Abdichten des jeweiligen Druckzustandes
zu gewährleisten. Das
Vorspannen der Zylinderkopfschrauben führt aber nicht nur zu einer
elastischen Dehnung der Schrauben, sondern auch zu erhöhter Verformung der
miteinander verspannten Teile, wodurch es im Zylinderkopf, bzw.
im Zylinder-Kurbelgehäuse
zu unerwünschtem
Material-Verzug
kommen kann. Kapitale Motorschäden
mit Kolbenfressern, die auf einen übermäßigen Verzug der Zylinderlaufbahn
zurück
zuführen
sind, sind dann die Folge.
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Die heutige Zylinderkopfdichtungstechnik
ist daher eine Gratwanderung zwischen genügend hoher Verpressung zum
Abdichten und möglichst
wenig Verformung in der Zylinderbohrung.
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Um die beschriebenen Probleme herkömmlicher
flacher Zylinderkopfdichtungen zu vermeiden, ist nach Zylinderkopfdichtungen
gesucht worden, mit denen bei gesenkter Vorspannkraft der Zylinderkopfschrauben
eine zuverlässige, über einen
langen Zeitraum gleichmäßige Dichtwirkung,
auch gegen sehr hohe Zylinderdrücke
garantiert werden kann.
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Einen günstigen Lösungsansatz bietet eine Zylinderkopfdichtung,
wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist. Eine
solche Dichtung wird in der
DE
4213 502 A1 vorgestellt und beschrieben, sie besteht im
Wesentlichen aus einem zylindrischen Ring, der einerseits mit der
Zylinderlaufbüchse
im Zylinderblock gasdicht verbunden ist und der andererseits in
eine Ringnut des Zylinderkopfes eindringt, wo er unter der Wirkung
des auftretenden Gasdruckes gegen eine Innenwand der Ringnut gedrückt wird
und dadurch dort abdichtet. Damit unter der Wirkung des Gasdruckes
eine radiale Dehnung des Ringes erfolgen kann, die für die Anpressung
an die Innenwand der Ringnut und damit für die Selbstabdichtwirkung
unabdingbar ist, muss der in die Ringnut eindringende Bereich des
Ringes im Vergleich zu seiner Höhe
relativ dünn
ausgeführt
sein. Trotzdem wird eine ausreichende Abdichtung erst dann erreicht,
wenn ein hoher Gasdruck den Ring im Abdichtbereich auf dehnt und
gegen die Ringnutinnenwand presst. Kleinere Differenzdrücke führen nicht
zu einer ausreichenden Dichtwirkung, so dass die bekannte Lösung auf
eine Restflächendichtung nicht
verzichten kann, die in konventioneller Weise mittels der Zylinderkopfschrauben
zwischen dem Zylinderkopf und der Zylinderlaufbüchse im Motorblock vorgespannt
wird. Diese Restflächendichtung
ist selbst dann vorzusehen, wenn Ring und Ringnut beim Stand der
Technik so ausgestaltet sind, dass sich der Ring in die Ringnut
keilförmig
einpresst.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ausgehend von der gattungsgemäßen Lösung gemäß der
DE 42 13 502 A1 , die ringförmige Zylinderkopfdichtung
zwischen dem Zylinderkopf und der Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine
so auszugestalten, dass die Dichtwirkung unabhängig von der Größe der Verschraubungskräfte zwischen
Zylinderblock und Zylinderkopf jederzeit, sowohl bei niedrigeren
Differenzdrücken,
wie auch bei extrem hohen Gasdrücken
mit einfachen Mitteln ausreichend garantiert ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine
gattungsgemäße Zylinderkopfdichtung
so verbessert, dass mindestens ein Umfangsbereich des in die Ringnut
des Zylinderkopfes eindringenden zylindrischen Ringes gegen eine
Seitenwand der Ringnut vorgespannt bzw. gasdrucklos vorgespannt
ist und den Zylinderraum abdichtet.
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Anders als beim Stand der Technik
erreicht der erfindungsgemäße Ring
bereits bei dem Zusammenfügen
von Motorblock und Zylinderkopf eine ausreichende Abdichtung des
Zylinderraumes gegen niedrige Druckdifferenzen von Innen nach Außen und umgekehrt.
Die Funktion Verbindung von Zylinderkopf und Zylinderblock und die
Vorspannung des zylindrischen Ringes werden voneinander getrennt, eine
hohe Verpressung auf dem Brennraum-Bördel ist nicht mehr erforderlich.
Somit dient die Zylinderkopf-Verschraubung
nur noch dem Zusammenhalten von Zylinderkopf und Zylinderblock;
Zylinderverzug aufgrund hoher Verpressungen auf dem Brennraum-Bördel treten
nicht mehr auf.
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Nach einer besonderen Ausgestaltung
der Erfindung ist vorgesehen, dass der vorgespannte Umfangsbereich
des Ringes durch ein trompetenförmig
erweitertes rotationssymmetrisches Federelement gebildet ist, dessen
größerer Öffnungsbereich mit
dem stirnseitigen Bereich des Ringes fest und gasdicht verbunden
ist und dessen kleinerer Öffnungsbereich
in einen zwischen der Innenwand des zylindrischen Ringes und der
beabstandeten gegenüberliegenden
Wand der Ringnut gebildeten gasbeaufschlagbaren Ringraum hineinragt,
wo sich die Innenflanke des rotationssymmetrischen Federelementes
unter Vorspannung dichtend gegen die dem Ring gegenüberliegenden
Wand der Ringnut anlegt.
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Das Federelement wird vorzugsweise
mit der Stirnseite des zylindrischen Ringes so verschweißt, dass
die federelastische Wand sich etwa tangential an die Wand der Ringnut
legt, wobei der infolge der Vorspannung erzeugte Anpressdruck bereits
geringen Differenzdrücken
von außen
oder innen entgegenwirkt.
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Sobald sich der Gasdruck im Brennraum
des Zylinders erhöht,
wird der auf das vorgespannte Federelement wirkende Anpressdruck
gegen die dem Ring gegenüberliegende
Wand der Ringnut dadurch verstärkt,
dass nach einem weiteren Merkmal der Erfindung der unmittelbar zwischen
dem Ring und dem Federelement gebildeten Ringraumes mit dem Gasdruck
des Zylinderraumes beaufschlagt wird. Da aber das Federelement infolge
seiner Vorspannung bereits an der Ringnutwand anliegt, muss keine
zusätzliche
Verformungskraft auf den Ring aufgebracht werden, um diesen, wie
beim Stand der Technik gegen die Ringnutwand aufzuweiten. Der Gasdruck kann
somit vollständig
und unmittelbar zur Erhöhung der
Abdichtwirkung eingesetzt werden, die praktisch eine direkte Funktion
des ansteigenden Gasdruckes ist.
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Vorzugsweise wird ein metallisches
Federelement verwendet, andere Werkstoffe mit ausreichender Federwirkung
zum Aufbringen von Vorspannkräften
sind jedoch denkbar.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist
vorgesehen, auf der dem zylindrischen Ring abgewandten Seite des
Federelementes einen Dichtring in die Ringnut einzusetzen. Bei diesem
Dichtring kann es sich um einen O-Ring aus Gummi handeln, der beispielsweise
einen, nach einem anderen Erfindungs merkmal, im Grund der Ringnut
gebildeten Kühlmittelkanal
gegenüber
dem Federelement des zylindrischen Ringes abdichtet.
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Die vorliegende Erfindung weist gegenüber dem
Stand der Technik eine Reihe von deutlich erkennbaren Vorteilen
auf. Sie sind vor allem in der Möglichkeit
der Vorspannung der Zylinderkopfdichtung ohne die sonst übliche Verpressung
von Flach- oder Restflächendichtung
zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock zu sehen. Ein Zylinderverzug
durch zu hohe oder ungleichmäßige Verschraubungskräfte in den
Zylinderkopfschrauben wird dadurch sicher vermieden; trotzdem ist
eine sichere Abdichtung des Zylinderraumes sowohl bei geringen Differentdrücken als
auch bei hohen Gasdrücken
garantiert. Weil der Ring über
sein Federelement bereits vorgespannt ist, müssen Verformungskräfte auf
den Ring nicht durch den Gasdruck aufgebracht werden, dieser braucht
lediglich die Anpresskraft des mit dem Ring baueinheitlich verbundenen
Federelementes zu erhöhen.
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Die Erfindung bezieht sich aber auch
auf eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock,
bei der die oben beschriebene Zylinderkopfdichtung in der oben dargestellten
Art und Weise eingesetzt wird.
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Ferner vorteilhaft weist die Erfindung
insbesondere insoweit zur besseren Kühlung in den Grenzbereichen
zwischen jeweils zwei Brennräume einen
tangential zu den Brennräumen
verlaufender zusätzlichen
Kühlmittelkanal
auf. Zur Versorgung dieser Kühlmittelkanäle können sowohl
im Zylinderblock als auch im Zylinderkopf Kühlmittelzufuhr und Kühlmittelabfuhrkanäle vorgesehen
sein.
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Mit Vorteil wird dadurch erreicht,
dass die thermisch sehr stark belasteten dünnwandigen Bereiche zwischen
den Zylindern bzw. Brennräumen eine
verbesserte Kühlung
erfahren.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier
Zeichnungen im Einzelnen beschrieben.
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Es zeigen:
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1 einen
Teilquerschnitt durch den Motorblock und dem Zylinderkopf einer
Brennkraftmaschine am Übergang
zwischen zwei Zylindern;
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2 einen
Teilausschnitt des Flanschbereichs eines an die erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung
angepassten Zylinderkopfs im Bereich zwischen zwei Zylindern.
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1 zeigt
grob vereinfacht einen Querschnitt durch den Motorblock einer Brennkraftmaschine,
wobei nur ein Ausschnitt dargestellt ist, der erforderlich ist,
um die Ausbildung und Funktion der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung zu
erläutern.
Der Ausschnitt erfasst den Bereich zwischen zwei benachbarten Zylinderräumen und
schneidet zwei der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtungen
dieser beiden Zylinderräume,
wobei jeweils nur eine Hälfte
der Zylinderkopfdichtung zu sehen ist, deren Teile sich jedoch spiegelbildlich
ergänzen.
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Der Zylinderkopf der Brennkraftmaschine
ist mit
1, die Brennräume
der Zylinder sind mit 2 und 3 bezeichnet. Die
zugehörigen
Zylinderbohrungen sind mit 4 und 5 beziffert.
Koaxial zu den Zylinderbohrungen 4 und 5 sind
in den Zylinderkopf 1 Ringnuten 6 und 7 eingestochen,
in die im zusammengefügten Zustand
die oberen Endbereiche jeweils eines zylindrischen Ringes 8 eintauchen,
der den Kern der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung
bildet. Der Ring 8 ist im dargestellten Beispiel im Querschnitt L-förmig abgestuft,
wobei der schmalere Schenkel des L-förmigen
Querschnittes in die Ringnut hineinragt und jeweils auf der dem
Brennraum 2 bzw. 3 abgewandten Seite der Ringnut
zu deren Innenwand 9 in der Regel in einem definierten
Abstand bzw. Toleranzabstand parallel verläuft. Im Fußbereich des zylindrischen
Ringes 8 ist dieser in einer Ausnehmung 10 der
Zylinderbohrung 4 bzw. 5 gasdicht abgestützt, wobei
der Innendurchmesser des Ringes 8 dem Innendurchmesser
der Zylinderbohrung 4 bzw. 5 entspricht. Da die
Ringnuten 6 und 7 jeweils in ihren Nutbreiten
größer als
die Breite des in sie hineinragenden Schenkels des Ringes 8 dimensioniert
sind, wird jeweils auf der Innenseite des Ringes 8 in der
Ringnut 6 bzw. 7 ein zum Brennraum 2 bzw. 3 offener
Ringraum 11 gebildet, in den das erfindungsgemäße vorgespannte
rotationssymmetrische ringförmig
Federelement 12 hineinragt. Dieses Federelement 12 ist, wie
dargestellt, im Querschnitt trompetenförmig gestaltet, wobei der obere
etwa horizontal verlaufende Bereich mit der Stirnseite des Ringes 8 bei 13 gasdicht
verschweißt
ist. Die Wand des Federelements 12 ist bei gleichzeitiger
Verkleinerung des Innendurchmessers nach unten gezogen, so dass
sich die Flanken 14 des Federelementes 12 an die
Innenwand der Ringnut 6 bzw. 7 gegenüber dem
Ring 8 anlegen. Dadurch, dass der Innendurchmesser des Federelementes
in diesem Bereich kleiner als der Innendurchmesser der Ringnut ist,
wird die Flanke 14 des Federelementes auch ohne Gasdruck
unter Vorspannung gegen die Innenwand der Ringnut 12 ge presst,
sobald der Zylinderkopf 1 und der Motorblock zusammengefügt sind.
Da aber der Ringraum 11 zum Brennraum 2 bzw. 3 hin
offen ist, gelangt beim Motorbetrieb Gas in diesen Ringraum und
bewirkt bei ansteigendem Gasdruck ein zusätzliches Anpressen und damit
eine verstärkte
Abdichtwirkung des zylindrischen Ringes 8 bzw. des baueinheitlich
mit diesem verbundenen Federelementes 12, indem die Flanke 14 des
Federelementes abhängig
von dem erhöhten Gasdruck
zusätzlich
zur Vorspannung angepresst wird.
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Zur Kühlung des Abdichtbereiches
der Zylinderkopfdichtung 8 kann im Grund der Ringnut 6 bzw. 7 ein
Kühlmittelkanal 15 ausgebildet
werden, der gegenüber
dem Ring 8 bzw. dessen Federelements mittels O-Ringen 16 abgedichtet
werden kann.
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Weiterhin kann durch das Ausbilden
eines zusätzlichen
Kühlmittelkanals
im Flanschbereich des Zylinderkopfs und zwar im Grenzbereich zwischen zwei
Brennräumen 2, 3 die
Kühlung
des Zylinderkopfs und angrenzender Gebiete verbessert werden. Dabei
wird zur Bildung des Kühlmittelkanals
der durch die Ausformung der Ringnuten 6 und 7 entstandene
Steg 21 in einem bestimmten Winkelbereich α entfernt. 2 veranschaulicht eine entsprechende
Ausführungsform.
Der an Stelle des Stegs 21 entstandene Kanal 20 verläuft tangential
zu den Brennräumen 2, 3.
Dieser Kühlmittelkanal 20 wird
lateral zum einen durch die schmalseitigen Bereiche des zylindrischen
Rings 8 und zum anderen durch das erfindungsgemäße Federelement 13 und
dem O-Ring 16 begrenzt. Die untere Grenze des Kühlmittelkanals 20 wird
durch den anschließenden
Motorblock gebildet.
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Daneben sind der Darstellung nach 2 zwei im Zylinderkopf 1 senkrecht
oder quergeführte Kanäle 18 und 19 zu
entnehmen, die den Tangential-Kühlmittelkanal
20,
an dessen Enden mit Kühlmittel
versorgen. Es handelt sich dabei um einen Kühlmittelzulauf 18 und
einen Kühlmittelablauf 19,
die den Tangential-Kühlmittelkanal 20 mit
dem Kühlsystem verbinden.
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- 1
- Zylinderkopf
- 2
- Brennraum
- 3
- Brennraum
- 4
- Zylinderbohrung
- 5
- Zylinderbohrung
- 6
- Ringnut
- 7
- Ringnut
- 8
- zylindrischen
Ring
- 9
- Innenwand
der Ringnut
- 10
- Ausnehmung
- 11
- Ringraum
- 12
- Federelement
- 13
- Befestigung
des Federelementes
- 14
- Innenflanke
des Federelementes 12
- 15
- Kühlmittelkanal
- 16
- O-Ring
- 17
- Stirnseite
Brennraumrand
- 18
- Kühlmittelzulauf
- 19
- Kühlmittelablauf
- 20
- tangentialer-Kühlmittelkanal
- 21
- Steg