DE102004011721A1

DE102004011721A1 - Metallische Zylinderkopfdichtung und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102004011721A1
Application number: DE102004011721A
Authority: DE
Inventors: Josef Ludwig; Hans-Dieter Waltenberg
Original assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Current assignee: Reinz Dichtungs GmbH
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2005-10-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine metallische Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor, dessen Kurbelgehäuse aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungen gefertigt ist, insbesondere aus einer Kombination aus verschiedenen Leichtmetallen, mit mindestens einer Brennraumdurchgangsöffnung (Hc) und mindestens einer Öffnung für Fluide, mit mindestens zwei übereinander angeordneten metallischen Lagen, wobei mindestens in einer metallischen Lage um die Durchgangsöffnung herum Sicken ausgebildet sind. Mindestens eine der metallischen Lagen ist als Kurzlage ausgebildet, die sich, ausgehend von der Brennraumdurchgangsöffnung (Hc), nicht bis zur Außenkante der anderen Lage erstreckt, und mindestens eine der zur Kurzlage benachbarten Lagen weist außerhalb und benachbart zur Außenkante der Kurzlage eine Sicke im Hinterland auf und die Dichtungslagen schließen im unverbauten Zustand bündig an der Brennraumdurchgangsöffnung (Hc) ab.

Description

Die Erfindung betrifft eine metallische Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor, dessen Kurbelgehäuse aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt ist, wie z. B. aus einer Kombination von mindestens zwei verschiedenen Leichtmetallen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine metallische Zylinderkopfdichtung für die Verwendung in vorstehend beschriebenen Verbrennungsmotoren.
Zylinderkopfdichtungen, welche aus mehreren Lagen Stahl bestehen, sind prinzipiell so aufgebaut, dass in mindestens einer Lage um die mindestens eine Brennraumdurchgangsöffnung herum eine im Wesentlichen beabstandet zum Rand der Brennraumdurchgangsöffnung umlaufende Brennraumsicke angeordnet ist. Durch die Pressung des Zylinderkopfes auf die Zylinderkopfdichtung bzw. das darunter liegende Kurbelgehäuse wird dabei die Brennraumsicke weitgehend elastisch zusam mengepresst, wodurch die Dichtfunktion gewährleistet wird.

Häufig wird für die sich unter dieser Pressung verformende Brennraumsicke eine Brennraumsickenabstützung vorgesehen, ein so genannter Verformungsbegrenzer oder auch Stopper. Diese Konstruktion gewährleistet, dass die Brennraumsicke im Kraftnebenschluss verpresst wird. Eine derartige Konstruktion ist z. B. aus der DE 195 15 329 C1 bekannt.

Als problematisch hat sich nun der Aufbau einer derartigen metallischen Zylinderkopfdichtung aus mehreren metallischen Lagen dann erwiesen, wenn sie für Verbrennungsmotoren eingesetzt wird, deren Kurbelgehäuse bereichsweise aus Werkstoffen mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung gefertigt sind. Derartige Verbrennungsmotoren, insbesondere Verbrennungsmotoren aus Leichmetallkombinationen wie Magnesium und Aluminium finden in letzter Zeit verstärkt Verbreitung. Bei diesen Verbrennungsmotoren hat es sich nun gezeigt, dass aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung u. a. Probleme bei der Abdichtung des Brennraums auftreten.

Dadurch, dass bei den Zylinderkopfdichtungen des Standes der Technik nicht nur um die Brennraumdurchgangsöffnung herum abgedichtet werden muss, sondern auch im Hinterland z. B. bei den Durchgangsöffnungen für Öl und Wasser, treten diese Wärmeausdehnungsprobleme verstärkt auf, da an diesen Stellen unterschiedliche Temperaturverhältnisse in Bezug zum mindestens einen Brennraum vorherrschen. Im Stand der Technik wurde dieses Problem lediglich in Bezug auf die Öffnungen im Hinterland, d. h. für die Durchgangsöffnungen für Öl und Wasser oder auch für Schraubenlöcher durch Einsatz von Gummiprofilen, die angespritzt werden, gelöst.

Aus der DE 200 19 412 ist ebenfalls eine metallische Zylinderkopfdichtung bekannt, bei der eine Abdichtung von im Hinterland angeordneten Durchgangsöffnungen für Schrauben und/oder Fluide ermöglicht wird. Bei dieser Zylinderkopfdichtung kann dies z. B. dadurch geschehen, dass der Stopper als sich seitlich an die Brennraumsicke anschließendes Stopperblech mit im Wesentlichen konstanter Dicke ausgeführt ist.

Es hat sich nun aber gezeigt, dass insbesondere die letztgenannte Lösung nicht ausreichend ist, um bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungen eine sichere und dauerhafte Abdichtung zu gewährleisten.

Ausgehend hiervon ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte metallische Zylinderkopfdichtung aus mindestens zwei Lagen, von denen sich zumindest eine über den gesamten Dichtungsbereich erstreckt, anzugeben, bei der auch für Verbrennungsmotoren, deren Kurbelgehäuse aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt sind, eine sichere Abdichtung sowohl des mindestens einen Brennraums als auch im Hinterland gewährleistet ist.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung ergibt sich aus den Ansprüchen 11 bis 14.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit vorgeschlagen, die metallische Zylinderkopfdichtung aus mindestens zwei Lagen aufzubauen, wobei in mindestens einer metallischen Lage um die Durchgangsöffnung herum eine Sicke angeordnet ist und eine metallische Lage als Kurzlage ausgebildet ist. Erfindungsgemäß wird unter einer Kurzlage eine metallische Lage verstanden, die sich ausgehend von der Brennraumdurchgangsöffnung nicht bis zur Außenkante der anderen mindestens einen metallischen Lage erstreckt. Dadurch kann erreicht werden, dass bei entsprechender Dimensionierung der Kurzlage der Zylinderkopfdichtung diese beim Einbauen in einen Verbrennungsmotor, dessen Kurbelgehäuse aus Werkstoff mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungen gefertigt ist, sich nur über die Bereiche mit geringer Wärmeausdehnung erstreckt.

Im Hinterland weist die erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung in mindestens einer zur Kurzlage benachbarten Lage im Bereich außerhalb der Außenkante der Kurzlage eine Sicke auf. Sämtliche Dichtungslagen schließen im unverbauten Zustand bündig an der Brennraumöffnung ab.

In Brennraumnähe kann die Kurzlage sowohl als Glattblech oder als Sickenlage oder als Stopperlage oder als kombinierte Sicken-/Stopperlage ausgeführt sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung besteht diese aus mindestens drei metallischen Lagen, wobei in mindestens einer der Lagen um die Durchgangsöffnung herum eine Sicke ausgebildet ist und die Kurzlage eine innere Lage der Dichtung darstellt. Auch hier weist die erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung in mindestens einer zur Kurzlage benachbarten Lage im Hinterland, im Bereich außerhalb der Außenkante der Kurzlage eine Sicke auf.

Bei einer derartigen Zylinderkopfdichtung ist es dabei weiter vorteilhaft, wenn die Bauhöhe im nicht eingebauten Zustand, aus der Summe der Dicke des Kurzblechs und eines möglicherweise vorhandenen brennraumseitigen Verformungsbegrenzers einer Lage kleiner ist als die Summe der Arbeitshöhen der Sicken im Hinterland.

Die Sicken können brennraumseitig und im Hinterland sowohl als Voll- als auch als Halbsicke ausgeführt sein, wobei brennraumseitig Vollsicken und im Hinterland Halbsicken bevorzugt sind.

Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung der vorstehend beschriebenen Zylinderkopfdichtung.

Wie bereits eingangs ausgeführt, betrifft die metallische Zylinderkopfdichtung nach der Erfindung eine Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor, der aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt ist. Insbesondere kommen hierfür Leichtmetallwerkstoffe wie Magnesium und Aluminium in Betracht. Im Stand der Technik ist es dabei bekannt, bei derartigen Motoren den Bereich der Laufbuchse(n) aus Aluminium und die restlichen Teil des Kurbelgehäuses z. B. aus Magnesium als zweitem Leichtmetallwerkstoff zu fertigen. In diesem Falle erstreckt sich dann das Kurzblech nur über den Bereich mit geringerer Wärmeausdehnung. Das Hinterland, das dann zum Beispiel aus Magnesium gefertigt ist, besitzt dann eine größere Wärmeausdehnung.

Neben Leichtmetallen können aber auch Grauguss sowie verschiedene metallische Legierungen im Kurbelgehäuse kombiniert werden. Der Kühlwasserbereich kann sich prinzipiell zwischen den beiden Metallbereichen erstrecken. Wenn der weiter von den Brennraumöffnungen entfernte Metallteil aber aus Magnesium gefertigt ist, verläuft das Kühlwasser komplett im Teil aus dem Metall mit geringerem Wärmeausdehnungskoeffizient. Die Schraubendurchgangslöcher werden bevorzugt ebenfalls nicht im Magnesiumbereich angeordnet.

Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer Zylinderkopfdichtung wie vorstehend beschrieben für den Einsatz in Verbrennungsmotoren, bei denen das Kurbelgehäuse aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungen gefertigt ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von fünf Figuren näher erläutert.
1: zeigt in Draufsicht einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung.
2: zeigt im Schnitt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung aus drei durchgängigen metallischen Lagen und einem Kurzblech;
3: zeigt wiederum im schematischen Aufbau eine erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung die aus lediglich zwei durchgängigen Lagen und einem Kurzblech besteht.
4: zeigt eine andere erfindungsgemäße Zylinderkopfdichtung die ebenfalls aus zwei durchgängigen Lagen und einem Kurzblech besteht.
5: zeigt eine andere erfindungsgemäße Zylin derkopfdichtung die nur aus einer durchgängigen Lage und einem Kurzblech besteht.
1 zeigt eine Draufsicht auf die Decklage 2 einer erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung 1. Die drei Brennräume Hc sind beabstandet von Vollsicken 5 umgeben. Außerhalb der Schraubendurchgangslöcher Hb ist mit gestrichelter Linie die Außenkante 7 des in der Draufsicht nicht-sichtbaren Kurzblechs (8, 18, 28) angedeutet. Die Außenkante der Decklage 2 wird mit einer Halbsicke 9 abgedichtet. Das Kurbelgehäuse mit drei Brennräumen Hc ist hierbei nur beispielhaft, die Erfindung erfasst auch Zylinderkopfdichtungen mit einer anderen Anzahl von Brennraumdurchgängen.
Die in 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung zeigt eine Zylinderkopfdichtung 1 im Schnitt, die aus insgesamt vier Lagen 2, 3, 4 und 8 aufgebaut ist. Nach der Ausführungsform nach 2 umfasst die Zylinderkopfdichtung die metallischen Lagen 2 und 4, die um die Durchgangsöffnungen des Brennraums herum Sicken 5 und 6 aufweisen. Die von der Brennraumseite abgewendete Kante 30 der Lage 2 bzw. 4 definiert dabei die Außenkante der Zylinderkopfdichtung. In diese beiden Lagen der Zylinderkopfdichtung 1, die auch als Boden- und Deckblech bezeichnet werden können, sind die brennraumseitigen Sicken 5 und 6 als Vollsicken ausgebildet. Die weitere durchgängige metallische Lage 3, die zwischen den beiden metallischen Lagen 2 und 4 angeordnet ist, weist brennraumseitig als Stopper einen Wellenstopper 11 auf. Grundsätzlich ist es ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt, zum besseren Abdichten der im Hinterland angeordneten Durchgangsöffnungen wie Wasserlöcher und/oder Öllöcher Sicken 9 und 10 anzuformen.
Erfindungsgemäß weist nun die Zylinderkopfdichtung wie vorstehend beschrieben, zwischen der mindestens einen Lage 3 und einer der Lagen 2 und 4 eine zusätzliche Lage, die hier als Kurzblech 8 bezeichnet wird, auf. Die Kurzlage 8 erstreckt sich dabei gemäß der vorliegenden Erfindung nur über den Bereich des Kurbelgehäuses, das aus dem Werkstoff mit geringerem Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet ist, im Beispiel aus Aluminium. Wie in 2 angedeutet, muss das Kurzblech dabei nicht bis ganz an die Materialgrenze, dargestellt durch die gestrichelte Linie, heranreichen, sondern der Außenrand 7 der Kurzlage 8 kann auch einen kleinen Rand des Bereichs aus Aluminium freilassen. Wichtig ist, dass das Kurzblech nicht über die Materialgrenze hinwegreicht. Der vom Brennraum abgewandte Bereich des Kurbelgehäuses besteht im Beispiel der 2 aus Magnesium.
Die Halbsicken 9 und 10 im Hinterland sind in den zum Kurzblech 8 benachbarten Lagen 2 und 3 angeordnet, und zwar mit geringem Abstand außerhalb zur Außenkante 7 des Kurzblechs 8.
Dadurch, dass nun der Bereich des Kurbelgehäuses, der aus Aluminium gefertigt ist, eine geringere Wärmeausdehnung aufweist als die aus Magnesium gefertigten Teile des Kurbelgehäuses, kann die dadurch verursachte Höhenschwankung in der Zylinderkopfdichtung durch die fehlende Höhe des Kurzblechs 8 im Hinterland und die Elastizität der Halbsicken 9 und 10 aufgefangen werden.
Es hat sich nun gezeigt, dass eine Zylinderkopfdichtung mit einem derartigen Aufbau ausgezeichnete Abdichtwirkungen, um den Brennraum herum, aber insbesondere auch im Hinterland in Bezug auf Fluidöffnun gen aufweist.
Gemäß der Konstruktion aus 2 bestehen die drei durchgängigen Bleche (2, 3, 4) aus Federstahl, während für das als Glattblech ausgeführte Kurzblech (8) auch andere metallische Materialien verwendet werden können.
3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die nur aus zwei durchgängigen metallischen Lagen 2 und 14 und einem Kurzblech 18 zwischen den durchgängigen Lagen besteht. Hier dient das Kurzblech 18 gleichzeitig als Stopperblech. Wie in der Ausführungsform nach 2 weisen auch hier Deck- und Bodenblech 2 und 14 brennraumseitig Vollsicken 5 und 6 auf. Der Stopper ist als Falz 13 ausgeführt. Im Hinterland federn wiederum die Halbsicken 9 und 10 in den dem Kurzblech 18 benachbarten Lagen 2 und 14 zusammen mit der Aussparung des Kurzblechs die größere Wärmeausdehnung des Kurbelgehäuses in diesem Bereich ab.
Während für Deck- und Bodenblech 2 und 13 der in 3 gezeigten Ausführungsform die Verwendung von Federstahl zwingend ist, wird das gefalzte Blech 18 aus anderem metallischen Material gefertigt.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung, die wie die Ausführung aus 3 zwei durchgängige Lagen und dazwischen ein Kurzblech aufweist. Deck- und Bodenblech 12 und 24 weisen wiederum brennraumseitig je eine Vollsicke 5 und 6 auf. Diese werden von einem Wellenstopper 11 im Bodenblech 24 abgestoppt. Wie in 2 ist das Kurzblech 8 als Glattblech ausgeführt und muss somit nicht aus Federstahl gefertigt sein. Die stärkere Höhenschwankung des Bereichs des Kurbelgehäuses aus Material mit größerem Wärmeausdehnungskoeffizient wird durch das Aussparen dieses Bereichs außerhalb der Außenkante 7 im Kurzblech 8 sowie durch die Vollsicke 19 im Deckblech 12 ausgeglichen.
5 zeigt, dass auch Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zylinderkopfdichtung mit nur einer durchgehenden metallischen Dichtungslage möglich sind. Hier wird das Kurzblech 28 zumindest über den Bereichen des Kurbelgehäuses, die aus einem Werkstoff mit geringerem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, zum Bodenblech. Die beiden Dichtungslagen 12 und 28 weisen brennraumseitig Vollsicken 5 und 6 auf, die durch einen Wellenstopper 11 im Kurzblech 28 abgestoppt werden. Der Ausgleich der größeren Höhenschwankung im Bereich des Kurbelgehäuses aus Material mit größerem Wärmeausdehnungskoeffizienten erfolgt wiederum durch das Aussparen des Bereichs außerhalb der Außenkante 7 im Kurzblech 18 sowie durch die Vollsicke 19 im Deckblech 12.
Die gestrichelte Linie deutet wie bei den vorangehenden Beispielen die Trennlinie zwischen den Kurbelgehäuse-Materialien an. Sie kann abweichend von den dargestellten Beispielen auch näher an den Brennraumöffnungen Hc verlaufen, die Außenkante 7 der Kurzlage verschiebt sich dann auch in Richtung der Brennraumöffnung Hc.
Neben den gezeigten Ausführungsformen, die alle einen Stopper am Brennraum aufweisen, sind auch stopperlose Ausführungsformen möglich.

Claims

Metallische Zylinderkopfdichtung (1) für einen Verbrennungsmotor, dessen Kurbelgehäuse aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungen gefertigt ist, insbesondere aus einer Kombination aus verschiedenen Leichtmetallen, mit mindestens einer Brennraumdurchgangsöffnung (Hc) und mindestens einer Öffnung für Fluide, mit mindestens zwei übereinander angeordnete metallische Lagen (2, 3 4, 8, 12, 14, 18, 28), wobei mindestens in einer metallischen Lage (2, 4, 12, 14) um die Durchgangsöffnung herum Sicken (5, 6) ausgebildet dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der metallischen Lagen (8, 18, 28) als Kurzlage ausgebildet ist, die sich ausgehend von der Brennraumdurchgangsöffnung (Hc) nicht bis zur Außenkante (30) der anderen Lage (2, 3, 4, 12, 14) erstreckt und dass mindestens eine der zur Kurzlage (8, 18, 28) benachbarten Lagen außerhalb und benachbart zur Aussenkante (7) der Kurzlage (8, 18, 28) eine Sicke (9, 10, 19) im Hinterland aufweist und dass die Dichtungslagen (2, 4, 8, 12, 14, 18, 28) im unverbauten Zustand bündig an der Brennraumdurchgangsöffnung (Hc) abschließen.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass brennraumseitig vor den Sicken (5, 6) ein Stopper (11, 13) angeordnet ist.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im nicht eingebauten Zustand die Summe der Dicke der Kurzlage (8, 18, 28) und die Dicke des Stoppers (11, 13) kleiner ist als die Summe der Arbeitshöhen der Sicken (9, 10, 19) im Hinterland.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderkopfdichtung mindestens drei Lagen (2, 4, 8, 12, 14, 18, 28), aufweist, und die Kurzlage (8, 18, 28) die oder eine Innenlage der Dichtung bildet.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzlage (8) als ein Blech mit im Wesentlichen konstanter Dicke ausgeführt ist.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicken (9, 10, 19) im Hinterland als Halbsicken ausgeführt sind.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die brennraumseitigen Sicken (5, 6) als Vollsicken ausgeführt sind.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die brennraumseitigen Sicken (5, 6) in die die Boden- und Deckblech bildenden Außenlagen eingebracht sind.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der brennraumseitige Stopper (11, 13) als Wellenform oder als Falz ausgebildet ist.
Metallische Zylinderkopfdichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 und 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderkopfdichtung brennraumseitig keinen Stopper aufweist.
Verwendung einer metallischen Zylinderkopfdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, für Verbrennungsmotoren mit einem Kurbelgehäuse aus zwei Werkstoffen, wobei die Bereiche mit größerem Abstand zu den Brennraumdurchgangsöffnungen aus dem Werkstoff mit dem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet ist, wobei eine Zylinderkopfdichtung verwendet wird, deren Kurzlage so dimensioniert ist, dass sie sich im Wesentlichen nur über den Bereichen des Kurbelgehäuses mit geringerer Wärmeausdehnung erstreckt.
Verwendung einer metallischen Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff mit geringerem Wärmeausdehnungskoeffizient Aluminium und der Werkstoff mit höherem Wärmeausdehnungskoeffi. zient Magnesium ist.
Verwendung einer metallischen Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff mit geringerem Wärmeausdehnungskoeffizient Grauguss und der Werkstoff mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizient Magnesium ist.
Verwendung einer metallischen Zylinderkopfdichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff mit geringerem Wärmeausdehnungskoeffizient Grauguss und der Werkstoff mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizient Aluminium ist.