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Die
Erfindung betrifft eine metallische Flachdichtung, insbesondere
eine Zylinderkopfdichtung mit mindestens einem mindestens eine Brennraumdurchgangsöffnung aufweisenden
Dichtungsblech, mit einem die Durchgangsöffnung umgebenden Verformungsbegrenzer,
der in Form einer in ihrer Querrichtung wellenförmigen Profilierung, die sich über mindestens
eine Periode der Wellenform erstreckt, im Dichtungsblech ausgebildet
ist und einem dem Verformungsbegrenzer zugeordneten Dichtmittel.
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Zur
Erhöhung
und Absicherung der Dichtwirkung einer metallischen Flachdichtung über einen längeren Zeitraum
ist es üblich,
um die verschiedensten Durchgangsöffnungen durch entsprechende
Verformung mindestens einer der Lagen einer solchen Flachdichtung
eine Sicke, die diese Durchgangsöffnungen
in der Regel vollständig
umschließt,
auszubilden. Durch diese Si cke wird dann eine entsprechende Dichtlinie
erzeugt. Eine solche Sicke kann die Funktion jedoch nur solange
erfüllen,
wie ein gewisses Maß an
Elastizität
im Sickenbereich erhalten bleibt, was in der Regel ohne zusätzliche
Hilfsmittel, mit denen eine vollständige plastische Verformung verhindert
wird, nicht eingehalten werden kann. Hierfür werden üblicherweise Verformungsbegrenzer
für die
Sicken eingesetzt. Solche Verformungsbegrenzer sind in den verschiedensten
Ausführungen
bekannt und werden üblicherweise
auch als Stopper bezeichnet. In der jüngsten Zeit hat sich die Entwicklung
im Bereich der metallischen Zylinderkopfdichtungen insbesondere
auf diesen Verformungsbegrenzer konzentriert. So ist es bekannt,
Verformungsbegrenzer durch Umfalzen des Dichtungsbleches, durch
einen separaten Ring oder auch durch Stauchen des Dichtungsbleches
zu bilden. Weiterhin sind als Stopper auch so genannte „Hardcoating"-Beschichtungen beschrieben
worden. Eine Neuentwicklung in Bezug auf die Ausbildung eines speziellen
Verformungsbegrenzers ist in der WO 01/9676 A1 beschrieben. Der dort
offenbarte Verformungsbegrenzer ist in Form einer Wellenform ausgebildet.
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Wie
vorstehend geschildert, hat sich somit in jüngster Zeit die Entwicklung
insbesondere auf den Verformungsbegrenzer, d. h. auf den Stopper,
bezogen.
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Derartige
Zylinderkopfdichtungen mit einer wie vorstehend beschriebenen Stopper-/Sickenkombination
erfordern jedoch beim Einbau relativ hohe Pressungskräfte. Insbesondere
bei neuen leistungsstarken Motoren ist es erforderlich, eine relativ
hohe Pressung zu bewerkstelligen um dann auch eine vollständige Abdichtung
zu erreichen. Dies erfolgt im Stand der Technik bisher dadurch,
dass eine höhere Schrauben kraft
angewandt wird, um eine möglichst vollständige Abdichtung
zu erzielen.
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Es
hat sich jedoch nun gezeigt, dass insbesondere bei hohen Pressungskräften bei
den metallischen Zylinderkopfdichtungen des Standes der Technik
Bauteilverzüge
auftreten.
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Ausgehend
hiervon ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
verbesserte Zylinderkopfdichtung bereitzustellen, die auch bei hohen Pressungskräften und
guter Abdichtwirkung keine Bauteilverzüge und schon gar keine Risse
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die
Unteransprüche
zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
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Erfindungsgemäß wird somit
vorgeschlagen, die bisher im Stand der Technik üblichen Dichtmittel in Form
der Sicke durch eine Elastomerbeschichtung zu ersetzen. Dadurch
wird es nun möglich,
dass mit geringeren Schraubenkräften
aufgrund der Elastizität des
Elastomermaterials eine mindestens gleichbleibende Abdichtung erreicht
werden kann, wie sie ansonsten mit einer herkömmlichen metallischen Sicke erzielt
wird. Werden dann die Schraubenkräfte noch erhöht, kann
eine gegenüber
dem Stand der Technik verbesserte Dichtwirkung bei niedrigeren Schraubenkräften erreicht
werden.
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Die
Elastomerbeschichtung ist dabei auf mindestens einem Dichtungsblech
ein- oder beidseitig aufgebracht, wobei sich die Elastomerbeschichtung
mindestens teilweise über
die wellenförmigen Profilierungen
des Verformungsbegrenzers erstreckt. Dies bedeutet, dass nur ein
Teil der wellenförmigen Profilierung
mit der Elastomerbeschichtung versehen sein kann oder die gesamte
wellenförmige
Profilierung mit der Elastomerbeschichtung versehen sein kann. Ebenso
ist eine Beschichtung des Dichtungsbleches mit dem Elastomer auch
außerhalb
der wellenförmigen
Profilierung möglich,
d.h. die elastomere Beschichtung überlappt an den Rändern des
Verformungsbegrenzers.
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Erfindungsgemäß ist es
deshalb vorgesehen, dass die ringförmige Elastomerbeschichtung
die dem Verformungsbegrenzer zugeordnet ist, in ihrer Gesamtdicke
die Bauhöhe
des Verformungsbegrenzers übersteigt,
so dass dann beim Verschrauben der Zylinderkopfdichtung die Elastomerbeschichtung mindestens
auf die Bauhöhe
des Stoppers zusammengepresst wird. Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung
dabei so ausgestaltet, dass die Gesamtdicke der Elastomerbeschichtung um
bis zu 100 %, besonders bevorzugt um bis zu 70 % größer ist
als die Bauhöhe
des Verformungsbegrenzers.
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Hinsichtlich
der Geometrie der Wellenform kann die Wellenform abgeflachte Wellenberge
bis hin zu einer Trapezform aufweisen. Die einzelnen Wellenberge
der Wellenform können
dabei eine unterschiedliche Höhe
besitzen. Zwischen benachbarten Wellenbergen einer Wellenform können unterschiedliche
Abstände
auftreten. Es ist hierbei bevorzugt, dass die wellenförmige Profilierung
brennraumseitig, also in Richtung der Brennraumöffnung, höhere Wellenberge als in der
entgegengesetzten Richtung aufweist.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht
vor, dass der Verformungsbegrenzer zwischen wellenförmigen Profilierungen
an den Rändern
mindestens einen profi lierungsfreien Abschnitt im Zentrum des Verformungsbegrenzers
aufweist.
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Die
Elastomerbeschichtung kann dabei auf einer metallischen Lage oder
auch auf mehreren metallischen Lagen der Dichtung aufgebracht sein.
Wesentlich ist in allen Fällen,
dass die Gesamtdicke, d. h. die Summe der Elastomerbeschichtungen,
falls diese auf mehr als einem Dichtungsblech angeordnet ist, höher ist
als die Summe der Bauhöhen
des mindestens einen Verformungsbegrenzers.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht dabei vor, dass die ringförmige Elastomerbeschichtung
und der Verformungsbegrenzer in einer metallischen Lage angeordnet
sind. In diesem Falle ist dann die Elastomerbeschichtung auf beiden
Seiten der metallischen Lage aufgebracht. Die Elastomerbeschichtung
weist dabei auf beiden Seiten des metallischen Dichtungsbleches
die gleiche Dicke auf.
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Die
erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung kann
weiterhin dabei so aufgebaut sein, dass sie aus mindestens zwei
Lagen gebildet ist, wobei in jeder Lage ein Verformungsbegrenzer
und eine Elastomerbeschichtung als Dichtmittel angeordnet ist. Die
Erfindung umfasst auch alle weiteren Ausführungsformen von mehrlagigen
metallischen Zylinderkopfdichtungen. So ist es nach der Erfindung
weiterhin bevorzugt, wenn die Zylinderkopfdichtung aus zwei metallischen
Dichtungsblechen besteht, wobei der Verformungsbegrenzer und die
Elastomerbeschichtung als Dichtmittel in unterschiedlichen Lagen
angeordnet sind.
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Das
erfindungsgemäße Konzept
in Form einer ringförmigen
Elastomerbeschichtung als Dichtmittel kann auch für andere Öffnungen
im Dichtungsblech angewandt werden. Im Dichtungsblech sind üblicherweise
neben der Durchgangsöffnung
für den Brennraum
noch weitere Öffnungen
vorhanden, so insbesondere für
Fluide wie Öl
und Wasser und für Schrauben.
Im Regelfall werden auch diese zusätzlichen Öffnungen durch ein Dichtmittel,
insbesondere durch eine Sicke abgedichtet. Da bei den Fluiden und insbesondere
bei den Schraubenlöchern
andere Anforderungen vorliegen, als bei der Brennraumdurchgangsöffnung,
ist es nicht in allen Fällen
erforderlich, eine Kombination aus Stopper und Sicke auch an den
weiteren Öffnungen
anzuwenden.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst deshalb auch diejenigen Ausführungsformen,
bei denen die weiteren Öffnungen
für Fluide
wie Wasser und Öl oder
auch die Schraubenlöcher
durch die erfindungsgemäße ringförmige Elastomerbeschichtung
umgeben sind. Hierbei kann selbstverständlich dem Dichtmittel auch
noch ein Verformungsbegrenzer, sofern es erforderlich ist, zugeordnet
sein. Der Verformungsbegrenzer kann dabei einen Teil des Dichtelements
darstellen. Vorzugsweise weisen die weiteren Durchgangsöffnungen
ebenfalls Dichtmittel und Verformungsbegrenzer analog zu denen am
Brennraum auf, die jedoch in Ausführung und/oder mindestens einem
der Parameter Höhe,
Breite und Abstand unterschiedlich sind.
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Die
ringförmige
Elastomerbeschichtung der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung ist
bevorzugt 0,5 bis 5 mm, besonders bevorzugt 1 bis 3 mm breit. Die
Gesamtdicke der Elastomerbeschichtung ist dabei bevorzugt und bis
zu 100 %, besonders bevorzugt um bis zu 70 % größer als die Bauhöhe des Verformungsbegrenzers.
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Als
Elastomerbeschichtung kommen vorzugsweise Materialien ausgewählt aus
der Gruppe der Silikone, Fluorsilikone, Fluorelastomere, Fluorthermoplasten,
Polyetheretherketone (PEEK), Polyphenylensulfid (PSU), Polyamidimid
(PAI) und eigenverstärkte,
flüssigkristalline
Polymere (LCP) zum Einsatz. Grundsätzlich lassen sich auch Mischungen dieser
Materialien und Dispersionen hiervon verwenden. Die Elastomere können ebenso
in geschäumter Form
verwendet werden.
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Die
Elastomerbeschichtung kann dabei wie an und für sich aus dem Stand der Technik
bekannt, mit üblichen
Verfahren auf das Dichtungsblech aufgebracht werden. Besonders geeignet
ist hierbei der Siebdruck, bei dem das Material selbst oder aber
Dispersionen des Materials aufgetragen werden. Aber auch der Spritzguss
(Injection Moulding) ist für
das Aufbringen der Elastomerbeschichtung gut geeignet.
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In
Versuchen konnte die Anmelderin zeigen, dass es bei der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung
besonders bevorzugt ist, wenn die ringförmige Elastomerbeschichtung
auf ein metallisches Dichtungsblech aufgebracht wird, das Verankerungsmittel
aufweist. Durch diese Verankerungsmittel wird vermieden, dass beim
Zusammenpressen der Dichtung beim Einbau ein zu starkes Verformen
des Elastomermaterials eintritt. Besonders bevorzugt ist es dabei,
wenn die Verankerungsmittel in Form einer Welle ausgebildet sind.
Insbesondere diese Ausführungsform
hat den Vorteil, dass dann, wenn als Verformungsbegrenzer ebenfalls
eine Welle eingebracht wird, bei der Herstellung der Zylinderkopfdichtung nur
ein Arbeitsgang erforderlich ist. Bei dieser besonders bevorzugten
Ausführungsform
ist somit der Verformungsbegrenzer eine Welle und die Verankerungsmittel
für die
Elastomerbeschichtung sind ebenfalls wellenförmig. Selbstverständlich sind
die Wellen, die im Bereich der Elastomerbeschichtung vorhanden sind,
in ihrer Dimensionierung anders ausgelegt als die Wellen, die als
Verformungsbegrenzer wirken. Die Wellen müssen in diesem Fall niedriger sein
als diejenigen Wellen, die den Verformungsbegrenzer bilden. Vorteilhaft
bei dieser Ausführungsform
ist, dass die Wellen eine Klammerung der ringförmigen Elastomerbeschichtung
gewährleisten,
so dass dadurch auch in dieser Beziehung ein verbesserter Halt der
Elastomerbeschichtung erreicht wird.
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Die
Erfindung wir nachfolgend anhand der 1 bis 12 näher erläutert, ohne
den Gegenstand auf die hier gezeigte Ausführungsformen zu beschränken.
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1a–c
zeigt diejenige Ausführungsform, bei
der der Verformungsbegrenzer und das Dichtmittel in Form der Elastomerbeschichtung
in einer Lage angeordnet ist.
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2a und b zeigt im Schnitt den Aufbau einer
einlagigen metallischen Zylinderkopfdichtung.
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3 zeigt
in der Draufsicht eine erfindungsgemäße Ausführungsform der metallischen
Zylinderkopfdichtung.
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4 bis 12 zeigen
einzelne erfindungsgemäße Ausführungsformen
der metallischen Zylinderkopfdichtung.
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1a bis
c zeigt diejenige Ausführungsform
der erfindungsgemäßen metallischen
Zylinderkopfdichtung, bei der der Verformungsbegrenzer und das Dichtmittel
in einer Lage angeordnet sind. Bei der Ausführungsform nach 1a ist der Verformungsbegrenzer als eine
in das Dichtungsblech 1 eingebrachte Welle 2 ausgebildet.
Diesem Verformungsbegrenzer in Form der Welle ist die Elastomerbeschichtung 3 als
Dichtmittel zugeordnet. Die Elastomerbeschichtung besteht im Beispielsfall
aus einem Fluorelastomer. Das metallische Dichtungsblech 1 ist ein
Federstahl, in den durch Prägen
die Welle 2 eingeformt worden ist. 1a zeigt
weiterhin, dass die dort gezeigte Ausführungsform zusätzlich eine
Wellenform 4 als Verankerungsmittel für die Elastomerbeschichtung 3 aufweist.
Bei der Ausführungsform nach
der 1a ist im Gegensatz zur Ausführungsform
nach 1b noch eine zusätzliche
Elastomerbeschichtung 5 vorgesehen. Derartige Beschichtungen
sind bisher schon im Stand der Technik üblich und werden im Regelfall
ganzflächig
auf die metallischen Lagen der Zylinderkopfdichtungen aufgebracht.
Derartige Beschichtungen, die meist aus Fluorpolymeren gebildet
sind, dienen zur Mikroabdichtung von Bauteilunebenheiten. Erfindungsgemäß ist es
aber wie 1b zeigt, auch möglich, auf
eine derartige zusätzliche
Beschichtung zu verzichten. Die Dicke der Beschichtung des Fluorpolymers 5 ist
dabei üblicherweise
im Bereich von 40 bis 120 μm.
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1b zeigt, wie eine identische Ausführungsform
wie 1a, nur ohne zusätzliche
Beschichtung mittels Fluorpolymer 5.
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In 1b ist zur besseren Erläuterung
der Dimensionierung der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung noch
die gedachte Linie 6 und 7 eingezeichnet.
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In 1c sind die Dimensionierungen der beispielhaften
Zylinderkopfdichtung nach den 1a und 1b aufgezeigt. Mit a ist in der 1c die Dicke des metallischen Dichtungsbleches
bezeichnet. Mit c bzw. c' ist
die Bauhöhe
des Verformungsbegrenzers, wie im vorliegenden Fall, die Welle bezeichnet.
Im Beispielsfall nach der 1a und 1b besitzt das Dichtungsblech eine Dicke
von 0,25 mm und die Amplitude der Welle, in 1c als
c bezeichnet, weist eine Bauhöhe
von 0,12 mm auf. Die Gesamtdicke des Verformungsbegrenzers (mit
b bezeichnet) beträgt
demnach 0,37 mm. Wie 1c zeigt, ist
die Amplitude der Welle im Bereich der Elastomerbeschichtung 3 kleiner
als im Verformungsbegrenzerbereich. Die Bauhöhe der Welle, die als Verankerungsmittel
dient, ist im Beispielsfall nach der 1c d
= 0,07 mm. Die Elastomerbeschichtung 3 weist bei der 1c beidseitig eine Dicke von e = 0,08
mm auf, so dass eine Gesamtdicke f von 0,48 mm resultiert.
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2a und 2b zeigen
nun im Schnitt den Aufbau der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung, wobei
im Beispielsfall nach der 2a wiederum
eine einlagige metallische Zylinderkopfdichtung vorliegt. 2a zeigt die Ausführungsform, bei der das metallische
Dichtungsblech 1 noch eine zusätzliche Fluorpolymerbeschichtung 5 aufweist.
In 2a ist mit 10 der Zylinderkopf
und mit 11 der Zylinderblock bezeichnet. 2 zeigt
weiter schematisch eine zusätzliche Öffnung,
bei der eine Schraube 12 eingebracht ist. Aus 2a ist nun leicht erkennbar, dass, wenn
der Zylinderkopf mit dem Zylinderblock verpresst wird, die Elastomerbeschichtung 3 mindestens
bis auf die Bauhöhe
des Stoppers 2 begrenzt wird. Dadurch, dass die Elastomerbeschichtung
in ihrem elastischen Verhalten weicher ist als die bisher im Stand
der Technik übli chen
metallischen Sicken, sind zur Erzielung einer gleichen Dichtwirkung
wesentlich geringere Schraubenkräfte
erforderlich. Andererseits ist es auch möglich, bei Hochleistungsmotoren,
bei denen aufgrund von hohen Drücken
eine möglichst
hohe Dichtwirkung erforderlich ist, durch erhöhte Schraubenkräfte eine
nochmals gegenüber dem
Stand der Technik verbesserte Dichtwirkung zu ermöglichen.
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3 zeigt
nun in der Draufsicht eine erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung. In 3 ist
die ringförmige
Elastomerbeschichtung 3 erkennbar. Die dort gezeigte ringförmige Elastomerbeschichtung 3 ist
einem Verformungsbegrenzer 2 zugeordnet, der in der 3 durch
gestrichelte Linien symbolisiert ist und in Wellenform ausgebildet
ist. Bei der Ausführungsform
nach der 3 sind weiterhin die zusätzlichen
Fluidöffnungen 15 und 16 sowie
die Öffnung 17 mit
der erfindungsgemäßen Kombination
des Dichtmittels aus der Elastomerbeschichtung und einem wellenförmigen Verformungsbegrenzers
umgeben.
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Die
weiteren Figuren zeigen unterschiedliche Ausführungsvarianten der Flachdichtung,
wobei die Anordnung im Verhältnis
zur Brennraumöffnung (Hc)
dargestellt ist.
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4 zeigt
eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen metallischen
Zylinderkopfdichtung, bei der der Verformungsbegrenzer als eine
in das Dichtungsblech 1 eingebrachte Welle 2 ausgebildet ist.
An der vom Brennraum abgewandten Seite ist eine Elastomerbeschichtung 3 als
Dichtmittel zugeordnet. Im Bereich der Elastomerbeschichtung 3 weist
das Dichtungsblech 1 ebenfalls eine Wellenform 4 auf,
wobei diese als Verankerungsmittel für die Elastomerbeschichtung 3 dient.
Die Welle 4 weist gegenüber
der Welle 2 dabei eine geringere Amplitude auf.
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In 5 ist
eine zu 4 vergleichbare Ausführungsform
dargestellt. Der Bereich der Welle 2 mit großer Amplitude
erstreckt sich dabei auf beide Bereiche außerhalb der Elastomerbeschichtung 3,
d.h. auf die der Brennraumöffnung
zugewandten Seite als auch auf die der Brennraumöffnung abgewandten Seite von
der Elastomerbeschichtung.
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In 6 ist
eine Ausführungsform
dargestellt, bei der das Dichtungsblech 1 zwei als Welle ausgebildete
Bereiche 2 und 2' aufweist,
die einen nicht profilierten Bereich einschließen, der mit einer Elastomerbeschichtung 3 versehen
ist.
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In 7 ist
eine Ausführungsform
dargestellt, bei der das Dichtungsblech 1 einen Verformungsbegrenzer
in Form einer eingebrachten Welle 2 aufweist. Die zugeordnete
Elastomerbeschichtung 3 weist an deren jeweiligen Rändern eine
geringere Höhe
als im Zentrum auf. Auch in dieser Ausführungsform ist im Bereich der
Elastomerbeschichtung eine Wellenform 4 als Verankerungsmittel
angeordnet. Die Elastomerbeschichtung 3 wird jeweils von höheren Wellenbereichen
flankiert.
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In 8 ist
eine zu 7 vergleichbare Ausführungsform
dargestellt. Der Unterschied hierin beruht darauf, dass die Elastomerbeschichtung 3 eine brillenförmige Ausgestaltung
aufweist, d.h. im Zentrum und an den Rändern eine geringere Höhe aufweist
als in den übrigen
Bereichen.
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In 9 ist
eine Ausführungsform
dargestellt, in der die in das Dichtungsblech 1 eingebrachte Welle 2 mit
einer Elastomerbeschichtung 3 als Dichtmittel versehen
ist, wobei auch hier die Höhe
der Elastomerbeschichtung 3 an den Rändern geringer als im Zentrum
ist. Die Welle besitzt hier über
den gesamten Bereich eine konstante Bauhöhe.
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In 10 weist
das Dichtungsblech 1 einen Verformungsbegrenzer in Form
einer Welle 2 auf. In den Wellentälern der Welle 2 sind
dabei Elastomerbeschichtungen 3, 3', 3'' und 3''' eingetragen,
die diese vollständig
ausfüllen.
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In 11 ist
eine Ausführungsform
dargestellt, in der Bereiche des Dichtungsblechs 1 als
Welle 2, 2' ausgebildet
sind. Zwischen diesen beiden Bereichen ist ein profilfreier Abschnitt
angeordnet, der mit der Elastomerbeschichtung 3 versehen
ist.
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In 12 ist
eine Ausführungsform
dargestellt, in der das Dichtungsblech 1 mit einem Verformungsbegrenzer
in Form einer eingebrachten Welle 2 versehen ist. In den
Wellentälern
der Welle 2 sind Elastomerbeschichtungen 3 und 3' so im Überschuss eingetragen,
dass diese wiederum eine wellenförmige
Oberfläche
bilden. Die Elastomerbeschichtungen 3 und 3' haben damit
in etwa die Form eines Ringes.