DE3610147A1 - Hubkolbenmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenmotor nach dem Ober­ begriff des Anspruches 1.

Bei Hubkolbenmotoren mit auswechselbaren nassen Zylinderlauf­ büchsen ist es bekannt, zur Abdichtung gegen den Durchtritt von Brenngasen zwischen den Zylinderlaufbüchsen und dem zuge­ hörigen Zylinderkopf flache Zylinderkopfdichtungen zu ver­ wenden. Diese Flachdichtungen bestehen im allgemeinen aus einem metallisch verstärkten Weichstoffmaterial und sind im Bereich der Brennräume von einer im Querschnitt U-förmigen metallischen Randeinfassung umgeben. Beim Verschrauben von Zylinderkopf und Kurbelgehäuse wird die Brennraumbördeleinfassung der Flach­ dichtung auf den Einspannbund der Zylinderlaufbüchse gepreßt, wobei eine bestimmte Mindestpressung vorliegen muß, um eine einwandfreie Brennraumabdichtung zu erreichen. Die notwendige Konzentration der Pressung im Bereich des Dichtungsbördels gegenüber der Dichtungsrestfläche, welche die Abdichtung der Wasser- und Öldurchgänge zwischen Kurbelgehäuse und Zylinder­ kopf übernimmt, wird im allgemeinen dadurch erreicht, daß die Dichtungsbördel-Auflagefläche der Zylinderlaufbüchse gegen­ über der Kurbelgehäuse-Dichtfläche einen möglichst genau tolerierten Überstand erhält.

An dieser Lösung ist folgendes nachteilig:

• - Es ist, insbesondere sofern der Laufbüchsenbund im Bereich der Oberseite des Kurbelgehäuses aufliegt, eine äußerst genaue und schwer herstellbare Tolerierung von Einstichtiefe im Kurbelgehäuse sowie Bundhöhe der Zylinderlaufbüchse nötig.
• - Die häufig aus mehreren Lagen zusammengesetzten Dicken der Zy­ linderkopfdichtung im Bereich des Dichtungsbördels und der Dichtungsrestfläche bedürfen einer möglichst genauen Toleranz­ abstimmung.
• - Die Vorspannkraft der Zylinderkopfschrauben muß möglichst eng toleriert aufgebracht werden.
• - Die unvermeidlichen, verbleibenden Toleranzen von Abmessungen und Schraubenkräften verursachen eine sehr starke Streuung der Anpreßkräfte, insbesondere im Dichtungsbördelbereich. Hierdurch entstehende hohe Pressungen können zu Verformungen der Kolbenlaufbahn der Zylinderlaufbüchse führen, wobei gleich­ zeitig der Auflagebalkon im Kurbelgehäuse (für den Büchsen­ bund) überbeansprucht und bruchgefährdet werden kann, während andererseits die Pressung im Dichtungsrestflächenbereich ver­ ringert wird, was zu Wasser- und Ölundichtheiten führen kann. Umgekehrt kann eine Toleranzaddition von geringen Schrauben­ kräften und toleranzbedingt kleinem Über- oder gar Unter­ stand des Laufbüchsenbundes, welcher sich am Kurbelgehäuse abstützt, zur Gasundichtheit führen.

Die beschriebene Anordnung stellt daher, insbesondere für moderne Hochleistungsmotoren in leichter Bauart mit zwangs­ läufig geringem Zylinderkopfschrauben-Vorspannkraft-Über­ schuß bei gleichzeitig hohen Brennraumdrücken nur einen Kompromiß mit erheblichen Nachteilen dar.

Eine graduelle Verbesserung der Brennraumabdichtung kann da­ durch erzielt werden, daß anstelle der zusammengesetzten eingangs geschilderten Zylinderkopfdichtung ein massives Dich­ tungsblech gleicher Dicke verwendet wird, das im Laufbüchsen- Abdichtbereich von einem umlaufenden Steg auf dem überstehenden Dichtbund der Zylinderlaufbüchse, welcher sich am Kurbelgehäuse abstützt, in eine umlaufende Nut im Zylinderkopf gedrückt wird, wodurch die Gasabdichtung zusätzlich zur Pressung auf den Lauf­ büchsendichtbund verbessert wird. Gleichzeitig kann - wie dies grundsätzlich auch bei der eingangs beschriebenen Anordnung möglich ist - die Abdichtung von Wasser- und Ölpassagen zwischen Kurbelgehäuse und Zylinderkopf noch gezielter durch eingelegte Elastomer-Elemente erfolgen. Durch diese Anordnung läßt sich bei Vermeidung einer Undichtheit an den Wasser- und Öldurchgängen infolge der Elastizität der Dichtelemente die Brennraumabdich­ tung bereits mit niedrigeren Zylinderkopfschrauben-Vorspann­ kräften sicherstellen.

Nachteilig an dem zuletzt beschriebenen System ist, daß ebenso wie bei der eingangs beschriebenen Anordnung toleranzbedingt auch unerwünscht hohe Pressungen auf der Dichtungsauflage der Zy­ linderlaufbüchse mit den beschriebenen negativen Folgen für Kolbenlaufbahnverformung und Überbeanspruchung des Gehäuses entstehen können. Ferner erfordert die Nut im Boden des Zy­ linderkopfes eine teure Drehbearbeitung. Auch ist eine genaue, aufwendige Zentrierung des Zylinderkopfes zur Laufbüchse erfor­ derlich, damit überstehender Bund auf Laufbüchse und Nut im Zy­ linderkopf korrespondieren. Eine teilweise Auflage des Zylinder­ kopfes im Dichtungsrestflächenbereich entsteht erst nach Ver­ biegung des Zylinderkopfes durch den Schraubenanzug, wodurch keine eindeutig definierten Verhältnisse der Zylinderkopf­ auflage im Dichtungsrestflächenbereich vorliegen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einem Hubkolbenmotor der eingangs erwähnten Art die vorbeschriebenen Nachteile zu vermeiden und hierbei gleichzeitig auf teure, toleranzeinengende Maßnahmen zu verzichten; mit anderen Worten, es soll unter Zulassung großer Fertigungstoleranzen, d. h. Toleranzen für die maßliche Ausführung der zusammen­ wirkenden Teile sowie auch für den Zylinderkopfschraubenan­ zug stets eine zuverlässige Brennraumabdichtung gewährleistet sein.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst.

Dadurch werden unerwünscht hohe Druckkräfte auf die Zylinder­ laufbüchse und das Kurbelgehäuse vermieden, wobei die Zy­ linderkopfdichtung im gesamten Restdichtungsbereich ohne zu­ sätzliches Verbiegen des Zylinderkopfes auf der Stirnfläche (Dichtfläche) des Kurbelgehäuses zur definierten Anlage kommt. Die auf den Steg der Zylinderlaufbüchse übertragene Druckkraft wird ledig­ lich durch die definierte, in engen Toleranzen herstellbare Druckfestigkeit der Stahl-Zylinderkopfdichtung bestimmt, da nach Überschreiten der Fließgrenze die Druckfestigkeit der Metalldichtung und damit die auf die Zylinderlaufbüchse über­ tragene Druckkraft unabhängig von der toleranzbedingt streuenden Eindringtiefe (Stegüberstand) praktisch konstant bleiben. Auch wird durch das Verkrallen des Steges der Zy­ linderlaufbüchse mit der Zylinderkopfdichtung eine zusätz­ liche Querfixierung der Laufbüchse erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Hubkolbenmotor im Be­ reich eines Zylinders mit Zylinderlaufbüchse und zugehörigem Zylinderkopf und einer entsprechenden Dichtungsanordnung zwischen diesen Teilen,

Fig. 2 einen vergrößerten Teilausschnitt aus Fig. 1 ent­ sprechend der Ausschnittbegrenzung II in Fig. 1 zeigend einen nach dem Aufbringen des Zylinderkopfes bekannten Dichtungsverband zwischen Zylinderkopf und Zylinderlaufbüchse bzw. Kurbelgehäuse, wobei ein um­ laufender Steg auf dem überstehenden Dichtbund der Zy­ linderlaufbüchse die Dichtung in eine Ringnut im Zy­ linderkopf drückt.

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 2 eines erfindungsgemäßen Dichtungsverbandes in Verbindung mit einer unten auf­ liegenden Zylinderlaufbüchse.

Fig. 4 eine Abwandlung der Dichtungsanordnung gemäß Fig. 3 und

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehungen zwischen Druckspannung und Stauchung der in den Fig. 3 und 4 verwendeten Zylinderkopfdichtung.

Die Fig. 1 zeigt einen Hubkolbenmotor mit einem Kurbelgehäuse 1, einem Zylinderkopf 2 und einer Zylinderlaufbüchse 3. Diese wird in Paßsitzen 4, 4 a des Kurbelgehäuses 1 zentriert gehalten und außerdem mittels Dichtungen 5, 5 a gegenüber einem Kühlmantel 6 abgedichtet. In der Zylinderlaufbüchse 3 ist ein Kolben 7 ver­ schiebbar angeordnet, der in der üblichen Weise über eine nicht dargestellte Pleuelstange mit einer nicht dargestellten Kurbel­ welle verbunden ist. Im Kolbenboden 7 a ist dabei eine nicht dargestellte Brennraummulde ausgebildet, in der in üblicher Weise über eine nicht dargestellte Einspritzdüse Kraftstoff ein­ gespritzt wird. Dabei dienen die gezeigten Ventile 8 und 9 zur Steuerung des Hubkolbenmotors. Im übrigen wird zwischen dem Kolbenboden 7 a, dem Zylinderkopf 2 und dem jeweils zugeordneten Bereich der Innenwandung 10 (ist Kolbenlaufbahn) der Zylinder­ laufbüchse 3 ein nicht dargestellter Brennraum begrenzt.

An der dem Zylinderkopf 2 zugewandten Seite ist die Zylinderlauf­ büchse 3 mit einem Laufbüchsenbund 11 versehen, welcher axial auf einer Radialfläche 12 eines Einstiches 13 im Kurbelge­ häuse 1 - in verspanntem Zustand - aufliegt. Zwischen der Außenfläche des Laufbüchsenbundes und der entsprechenden Innenfläche des Einstiches ist ein Spalt ausgebildet.

Die zylinderkopfseitige Fläche des Laufbüchsenbundes 11 weist in dem dem Brennraum benachbarten Bereich einen Feuerschutz­ kragen 14 auf, der nur geringes Spiel zum Zylinderkopf 2 hat. Der sich radial nach außen daran anschließende Bereich weist eine offene ringscheibenförmige Ausnehmung 15 auf, in der eine Zylinderkopf-Dichtung 16 angeordnet ist.

Die Fig. 2 zeigt einen bekannten Dichtungsverband zwischen Zylinderkopf 2 und Zylinderlaufbüchse 3 bzw. Kurbelgehäuse 1, welcher auch eingangs beschrieben wird. Hierbei findet eine Zylinderkopf-Dichtung 16 Anwendung, welche aus massivem Metallblech (Stahlblech) gleicher Dicke besteht. Dabei weist die gesamte Dichtungsauflagefläche 17 der Zylinderlaufbüchse 3 , d. h. der Bereich der Ausnehmung 15 des Laufbüchsenbundes 11 einen Überstand zur Kurbelgehäuse-Stirnfläche 1 a auf. Auf der Dichtungsauflagefläche 17 befindet sich ein umlaufender Steg 18, der konzentrisch zu einer umlaufenden Nut 19 im Zylinderkopf 2 liegt. Wie aus der Figur ersichtlich, wird beim Anziehen der Zylinderkopfschrauben die Metalldichtung 16 im Bereich 19 der Nut im Zylinderkopf 2 über den Steg 18 gebogen, bis diese auf der Dichtungsauflagefläche 17 anliegt. Bei einer der­ artigen Ausführung wird eine teilweise Auflage des Zylinder­ kopfes im Dichtungsrestbereich, d. h. im Dichtungsteil außerhalb des Laufbüchsenbundes (oder anders ausgedrückt im Dichtungsteil zwischen Kurbelgehäuse 1 und Zylinderkopf 2), erst nach Verbiegung des Zylinderkopfes 2 durch den Schrauben­ anzug erreicht. Dadurch liegen keine eindeutigen Verhältnisse der Zylinderkopfauflage im Dichtungsrestflächenbereich vor. Zur gezielteren Abdichtung der Wasser- und Öldurchgänge 20 zwischen Kurbelgehäuse 1 und Zylinderkopf 2 zeigt die Figur noch an sich bekannte Elastomer-Elemente 21, wobei die strich­ lierte Darstellung diese im ungepreßten Zustand zeigt.

Der erfindungsgemäße Dichtungsverband ist aus der Fig. 3 er­ sichtlich. Da dieser bei einer Motorenbauart mit "unten" auf­ liegender Zylinderlaufbüchse 3 besondere Vorteile aufweist, wird die Erfindung anhand dieser Figur für eine derartige Ausführung beschrieben.

Die Fig. 3 zeigt wie die Fig. 2 als Zylinderkopfdichtung 16 ein massives Metallblech gleicher Dicke. Dieses kann aus Stahl­ blech oder einem anderen Werkstoff gleicher Charakteristik be­ stehen. Gegenüber der Fig. 2 weist aber nur der umlaufende Steg 18 auf dem Laufbüchsenbund 11 einen Überstand x zur Kurbelgehäuse-Stirnfläche 1 a auf. Beim Anziehen der Zylinder­ kopfschrauben dringt der Steg 18 soweit in das Stahlblech ein, bis die Restfläche der Dichtung 16 (d. h. der Dichtungsteil zwischen Kurbelgehäuse 1 und Zylinderkopf 2) auf der Kurbel­ gehäuse-Stirnfläche 1 a zur Anlage kommt (d. h. die Dichtung 16 kommt nicht im Grundflächenbereich der Ausnehmung 15 zur An­ lage). Hierbei wird das Stahlblech 16 unabhängig von den Toleranzen von Überstand x und Dichtungsdicke in jedem Fall über seine Fließgrenze hinaus plastisch verformt. Erfindungs­ gemäß ist die Druckkraft auf den Steg 18 des Laufbüchsen­ bundes 11 so ausgelegt, daß das Stahlblech über der Fließ­ grenze die Grenzfestigkeit erreicht, wobei die Druckkraft innerhalb des horizontalen Verlaufes 30 der Werkstoffkenn­ linie 31 im Spannungs-Dehnungsdiagramm (vergleiche Fig. 5) liegt. Da nach Überschreiten der Fließgrenze die Druckfestig­ keit des Stahlbleches 16 und damit die auf die Laufbüchse 3 übertragene Druckkraft unabhängig von der toleranzbedingt streuenden Eindringtiefe x praktisch konstant bleiben, wird die über den Steg 18 übertragene Druckkraft lediglich durch die definierte, wirtschaftlich auch in engen Toleranzen her­ stellbare, Druckfestigkeit des Stahlbleches 16 bestimmt. Die gegenüber dem Dichtsteg 18 geringere Druckfestigkeit des Stahlbleches 16 sowie die Breite des Steges werden so fest­ gelegt, daß die entstehende Flächenpressung ein mehrfaches des maximalen Zylinder-Innendruckes beträgt, was zur ein­ wandfreien Gasabdichtung des Brennraumes notwendig ist. Gleichzeitig wird die Zylinderlaufbüchse 3 im Kurbelgehäuse 1 durch Verkrallen mit dem Steg 18 querfixiert.

Sollte eine derartige Fixierung nicht erwünscht sein, kann als Variante gemäß Fig. 4 die Brennraumabdichtung im Zylinderlauf­ büchsenbereich durch einen von der Restflächendichtung 23 getrennten Dichtungsring 22 erfolgen. Die beiden Dichtungsteile 22, 23 können aus verschiedenen Werkstoffen bestehen. Auch können diese eine unterschiedliche Dicke aufweisen.

Der Vorteil für die Motorenbauart mit unten im Kurbelgehäuse 1 auf der Radialfläche 12 aufliegenden verspannten Zylinderlauf­ büchse 3 besteht darin, daß deren Neigung zu unzulässiger Ver­ formung durch die über die Zylinderkopfdichtung 16 einge­ leiteten Druckkräfte infolge der erfindungsgemäßen Vermei­ dung toleranzbedingt hoher Druckkräfte ausgeschlossen wird. Somit werden neben guter Brennraumabdichtung auch einwand­ freie "Rundheit" der Kolbenlaufbahn sichergestellt.

Bei dynamischer Belastung des Dichtverbandes durch den Gas­ druck entsteht infolge der Abhubtendenz des Zylinderkopfes 2 eine Reduzierung der Pressung auf den Dichtsteg 18 sowie der Laufbüchsenauflage 12, wodurch sowohl Festsitz der Zylinder­ laufbüchse 2 als auch Abdichtgüte beeinträchtigt werden können. Ein weiterer (ganz allgemeiner) Vorteil der unten aufliegenden Büchse besteht nun darin, daß die dynamische Pressungsreduzie­ rung infolge der großen, elastisch verspannten Länge 24 der Laufbüchse 3 wesentlich geringer ausfällt als bei oben auf­ liegenden Büchsen, da die auf großer Länge elastisch ver­ spannte Laufbüchse 3 der Abhubtendenz des Zylinderkopfes 2 wesentlich besser folgt als eine nur kurz verspannte Lauf­ büchse.

Außer der durch die Abhubtendenz des Zylinderkopfes 2 ein­ tretenden Pressungsverminderung im Abdichtverband kann zu­ sätzlich und örtlich durch pulsierende, kalottenförmige Verbiegung (Atmung) des punktförmig von den Schrauben niedergehaltenen Zylinderkopfes 2 eine Pressungsreduzierung stattfinden. Der durch diese Verbiegung des Zylinderkopfes 2 in sich selbst verursachten örtlichen Pressungsverminderung (bedingt durch pulsierende Brennraumdruckspitzen) kann die mit der Länge 24 elastisch verspannte Laufbüchse 3 allein nicht folgen. Es werden deshalb die Höhe 25 des umlaufenden Steges 18 und die Dicke des Stahlbleches 16 so ausgelegt, daß die nach dem Einbau entstehende elastisch verspannte Dichtungshöhe 26 ausreicht, um unzulässige, örtliche Pres­ sungsminderungen durch elastisches Nachfedern zu vermeiden.

Die Fig. 5 zeigt ein Spannungs-Dehnungsschaubild für Druck. Auf der Ordinate ist dabei die Druckspannung in N/mm² auf­ getragen und auf der Abszisse die Stauchung in Prozent. Hierbei ergibt sich für die verwendete Zylinderkopfmetall­ dichtung (Stahldichtung mit festgelegter Charakteristik oder andere Dichtungswerkstoffe mit gleicher Charakteristik) eine ganz bestimmte Materialkennlinie 31. Aus dieser ist folgendes ersichtlich: Der Bereich 27 (zeigend einen großen steigungs­ abhängigen Druckspannungsbereich) liefert nur einen kleinen Stauchungsbereich 28. Dagegen treten nach Überschreiten der Fließgrenze nur noch kleine Druckspannungsunterschiede 29 auf; die Materialverformung, besser gesagt der Verformungs­ bereich 30 ist aber sehr groß. Dabei gewährleistet der waag­ rechte Verlauf 30 der Werkstoff-Kennlinie 31 praktisch eine konstante Druckkraft auf die Zylinderlaufbüchse 3.

Der erfindungsgemäße Dichtungsverband bewirkt insbesondere eine für moderne Hochdruckmotoren (Motoren hoher Aufladung und hohen Zylinderdrücken) geeignete Brennraumabdichtung bei gleichzeitiger Sicherstellung der für zuverlässigen Langzeitbetrieb besonders wichtigen guten "Rundheit" der Kolbenlauffläche.

Selbstverständlich können auch andere Dichtverbände mit ähn­ licher Problemstellung durch das erfindungsgemäße Dicht­ system gelöst werden. Auch ist es möglich, den umlaufenden Steg 18 statt auf der Laufbüchse 3 auf dem Zylinderkopf 2 anzubringen.

Claims (3)

1. Hubkolbenmotor, mit einem Kurbelgehäuse, mindestens einem Zylinderkopf und mindestens einer auswechselbaren Zy­ linderlaufbüchse, wobei in jeder Zylinderlaufbüchse ein Hubkolben verschiebbar angeordnet ist und ein vom Zy­ linderkopf, von der Zylinderlaufbüchse und vom Hubkolben umgrenzter Brennraum vorgesehen ist, wobei die Zylinder­ laufbüchse sich mittels eines Laufbüchsenbundes am Kurbel­ gehäuse abstützt und wobei die zylinderkopfseitige Stirn­ fläche des Laufbüchsenbundes in dem dem Brennraum be­ nachbarten Bereich einen Feuerschutzkragen und im übrigen Bereich eine radial nach außen offene Ausnehmung mit einem in Richtung Zylinderkopf zeigenden umlaufenden Steg auf­ weist, in die eine zwischen Zylinderkopf und Kurbelgehäuse liegende flache Zylinderkopfdichtung, welche aus massivem Metall besteht, hineinragt bzw. aufliegt, dadurch gekennzeichnet, daß nur der umlaufende Steg (18) im Bereich der Ausnehmung (15), d. h. der abdicht­ seitigen Stirnfläche der Zylinderlaufbüchse (3), einen Überstand (x) zur Stirnfläche (1 a) des Kurbelgehäuses (1) aufweist und dieser Steg (18) mit der Zylinderkopfdichtung (16), welche eine definierte Druckfestigkeit besitzt, abge­ stimmt wird, derart, daß beim Aufschrauben des Zylinder­ kopfes (2) auf das Kurbelgehäuse (1) die Zylinderkopf­ dichtung (16) immer über die Fließgrenze beansprucht und infolge plastischer Verformung mit dem Steg (18) form­ schlüssig verkrallt wird, wobei das Eindringen des Steges (18) in die Zylinderkopfdichtung (16) beendet ist, sobald der Dichtungsrestbereich auf der Stirnfläche (1 a) des Kurbelgehäuses (1) zur Anlage kommt, und wobei die Zylinderkopfdichtung (16) eine derartige Spannungs- Dehnungs-Kennlinie (31) aufweist, daß nach Überschreiten der Fließgrenze ein möglichst großer, waagrechter (d. h. druckspannungskonstanter) Verformungsbereich (30) vor­ liegt.

2. Hubkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (25) des umlaufenden Steges (18) und die Dicke der Metalldichtung (16) so ausgelegt sind, daß die nach dem Einbau entstehende elastisch verspannte Dichtungshöhe (26) ausreicht, um unzulässige örtliche Pressungsminderungen durch elastisches Nachfedern zu vermeiden.

3. Hubkolbenmotor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zylinderkopfdichtung (16) in einen Dichtungs­ ring (22) speziell für die Gasabdichtung im Zylinderlauf­ büchsenbereich und einen Dichtungsteil (23) für den Kurbel­ gehäusebereich unterteilt ist, wobei sich der Dichtungsring (22) vom Dichtungsteil (23) sowohl durch Werkstoff als auch Dicke unterscheiden kann.