-
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Dichtungsanordnung,
bestehend aus einem dehnbaren Hauptdichtungskörper mit
oberen und unteren Hauptflächen zur Anordnung zwischen dem
Kopf und dem Block einer inneren Brennkraftmaschine, und
zur Bildung einer Mehrzahl von Öffnungen, einschließlich
mindestens einer Verbrennungsöffnung, Flüssigkeitsöffnungen
und Bolzenlöchern, sowie einem Feuerring, bestehend aus
einem Kreisring, der in jeder Verbrennungsöffnung
positioniert und angeordnet ist, wobei der Feuerring im
radialen Querschnitt aus einem kreisringförmigen Balken,
einem kreisringförmigen Wulst, der von dem Balken in einer
ersten senkrechten Richtung vorsteht, und kreisringförmigen
Stützfüßen, die von dem Balken in der entgegengesetzten
senkrechten Richtung vorstehen, besteht, und die Füße
dazwischen eine kreisringförmige Vertiefung bilden, wobei
der Wulst oberhalb der Vertiefung und zwischen den Füßen
liegt, der kreisringförmige Balken obere und untere
parallele Seiten aufweist, der kreisringförmige Wulst von
einer Seite des Balkens in der ersten senkrechten Richtung
und die kreisringförmigen Stützfüße von der anderen Seite
des Balkens vorstehen, und die kreisringförmige Vertiefung
zwischen den Füßen im Querschnitt rechtwinklig ist.
-
Eine Dichtungsanordnung dieser Bauart ist aus DE-A1-206 656
bekannt. Diese Druckschrift beschreibt eine elastische
Dichtung mit einem U-förmigen Querschnitt, wobei die U-
Schenkel auf einem Kompressionswulst ruhen, während die
Angriffsfläche eines Ringkragens des U-förmigen
Querschnitts schmaler als die Gesamtbreite des Querschnitts in
der Mitte zwischen den beiden Schenkeln ist. Diese bekannte
Konstruktion zielt darauf ab, die Bildung von Rissen in der
Stützschulter der Zylinderhülse zu verhindern. Der
Hauptteil der Dichtung besteht aus einer massiven Stahlplatte,
die den Hauptteil des Drucks aufnimmt. Diese Stahlplatte
garantiert, daß der Feuerring nur elastisch verformt werden
kann.
-
FR-A-1 497 446 beschreibt eine Dichtung, die aus einem
Feuerring mit einer oberen konkaven Fläche und einer unteren
konvexen Fläche besteht. Die obere konkave Fläche bildet
zwei ringförmige konzentrische Dichtungszonen. Die konvexe
Fläche des Feuerrings hat eine kreisringförmige Rippe, die
auf einer Ringschulter einer Zylinderhülse ruht, die
konzentrisch zu den beiden Dichtungszonen angeordnet ist. Der
Durchmesser der kreisringförmigen Dichtungszone, die
zwischen der Dichtungsrippe und der Stützschulter der
Zylinderhülse gebildet ist, ist größer als der kleinste dieser
Dichtungszonen und kleiner als der größte der
Dichtungszonen. Der Feuerring behält seine Elastizität unter Last
bei und gewinnt im wesentlichen seine anfängliche
konkavkonvexe Form zurück, wenn die Dichtung vom Block und dem
Zylinder entfernt wird.
-
DE-A-1 425 524 beschreibt eine Dichtung aus einem
Metallblech mit versetzten Nuten. Diese Versetzung der Nuten
unterstützt eine Biegung des Metalls, wenn die Dichtung
unter Last steht, so daß ein Einschluß und eine
Unterdrucksetzung plastischen Materials erreicht wird.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die
Belastung eines Feuerrings und seiner Konstruktion derart zu
verbessern, daß die Dichtung einwandfrei unter sämtlichen
thermischen und mechanischen Belastungsbedingungen
abdichtet.
-
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch eine
Verbesserung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Wulst
gegenüber der senkrechten Projektion der der Vertiefung
zugekehrten Fläche jedes Fußes in einem Abstand versetzt ist,
der mindestens einer Hälfte der radialen Breite des Wulstes
entspricht und die Wulsthöhe nicht größer als die Höhe der
Vertiefung ist, wobei die radiale Breite der Vertiefung
mindestens der dreifachen Breite des Wulstes entspricht und
der Feuerring im Betrieb eine Belastungskurve bildet, die
progressiv zunächst unter Belastung als ein Balken wirksam
ist, danach unter einer relativ niedrigen Last elastisch
belastet und anschließend unter höherer Belastung plastisch
verformt wird.
-
Um die Aufgabe der Erfindung zu erreichen, ist auch eine
Verbesserung eines Verfahrens zum Abdichten der Zylinder
einer inneren Verbrennungskraftmaschine durch eine
Zylinderkopfdichtungsposition zwischen dem Kopf und dem Block
desselben vorgesehen, bestehend aus den Schritten der
Bereitstellung einer Dichtungsanordnung gemäß Anspruch 1
zwischen dem Kopf und Block, der anschließenden Belastung des
Dichtungskörpers, derart, daß der Feuerring zwischen dem
Kopf und dein Block komprimiert wird, damit der Feuerring
als ein Balken unter dieser Last wirksam ist, ferner der
Belastung und Kompression dieses Feuerrings, so daß er
unter Last elastisch wirksam ist, und schließlich unter
Belastung und Kompression dieses Feuerrings, so daß er
plastisch unter Last wirksam ist.
-
Im Betrieb bildet der als Balken wirksame Feuerring eine
Belastungskurve, die progressiv zunächst unter Last als ein
Balken wirkt, anschließend unter einer verhältnismäßig
niedrigen Last elastisch belastet und danach unter hoher Last
plastisch verformt wird.
-
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den
Zeichnungen hervor.
-
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine
Zylinderkopfdichtungsanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
Fig. 2 ist ein vergrößerter Querschnitt des Feuerrings
der Dichtung in Fig. 1, im wesentlichen längs der
Linie 2-2 in Fig. 1, und der dieselbe in einer
Brennkraftmaschine liegend zeigt;
-
Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, bei der jedoch der
Feuerring unter niedriger Last steht;
-
Fig. 4 eine Ansicht ähnlich Fig. 3, bei der jedoch der
Feuerring unter hoher Last steht;
-
Fig. 5 eine Ansicht ähnlich Fig. 4, bei der jedoch der
Feuerring unter noch höherer Belastung steht; und
-
Fig. 6 eine Kurve, welche die Belastungscharakteristiken
eines Feuerrings gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt.
Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform
-
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen stellt Fig. 1 eine
typische Zylinderkopfdichtungsanordnung dar, bei der der
als Balken wirkende, vertiefte Feuerring der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann. So besteht die
Zylinderkopfdichtung 10 aus einem Hauptdichtungskörper 12 mit zwei
Hauptflächen, einer oberen und einer unteren Hauptfläche
14, 16 und einer Mehrzahl von Verbrennungsöffnungen 18, die
gemäß der vorliegenden Erfindung armiert sind.
-
Der Hauptdichtungskörper 12 besteht aus mehreren
laminierten Schichten, wie z. B. einem mittleren Metallkern 20 und
einem Paar faserelastomeren Außenschichten 22, die die
oberen und unteren Hauptseiten 14, 16 darstellen.
-
Faserelastomere Außenschichten können aus Asbest oder
Glasfasern oder einem anderen Fasermaterial bestehen, es können
Nitril-, Neopren- oder Polyacryl-Elastomere als ein
Bindemittel verwendet werden. Füllstoffe und andere Zusatzstoffe
können auch vorhanden sein. Andere flache Dichtungskörper
können ebenso verwendet werden, wie z.B. u.a. kaltgewalzter
Stahl.
-
Die Abmessungen und Werkstoffe des Hauptdichtungskörpers
können variieren, so können mit ihnen Zusatzstoffe und
Dichtungshilfsmittel verwendet werden. Der Metallkern 20
kann ungelocht sein und aus kaltgewalztem Stahl bestehen
und die Außenseiten 22 sind vorzugsweise feuchtigkeits-,
wasser- und ölresistent. Der Kern und die Außenseiten sind
vorzugsweise in bekannter Weise, wie mit einem üblichen
Klebstoff, laminiert.
-
Die Dichtung 10 hat eine Mehrzahl geeigneter Öffnungen, wie
z. B. Flüssigkeits-(Öl und Wasser)Öffnungen 24 ebenso wie
eine Mehrzahl von Bolzenlöchern 26 für die in dem U.S.-
Patent 3,565,449 beschriebenen Zwecke. Die Öffnungen 24 für
Wasser und Öl erstrecken sich durch den
Hauptdichtungskörper und dienen als Durchgangskanäle durch die
Dichtungsanordnung 10. Indessen müssen sie abgedichtet werden, so
daß Wasser und/oder Öl sich nicht über die Öffnungen 24
hinaus ausbreiten kann.
-
Zu diesem Zweck sind Dichtungsmittel in üblicher Weise um
die Öffnungen 24 herum vorgesehen. Gemäß der gegenwärtigen
Praxis wird vielfach ein elastomerer Wulst, wie ein
Silikonwulst z. B. im Siebdruckverfahren zur Bildung eines
Dichtungswulstes angeordnet, und zwar gewöhnlich einer auf
jeder Hauptseite 14, 16 in senkrechter Ausrichtung.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung kann der als Balken wirkende Feuerring ein
Kreisring 30 sein, der in der Verbrennungsöffnung
der-Dichtung positioniert und angeordnet ist und im senkrechten
Querschnitt aus einem Balkenabschnitt 31, einem Paar am
Umfang angeordneter innerer und äußerer Stützränder 32, 32'
mit Füßen 33, 33', die von einer Seite des Kreisrings in
einer ersten Richtung vorstehen, und einem Kontrollwulst
34, der von der anderen Seite des Kreisrings in einer
zweiten Richtung vorsteht, bestehen. Eine Vertiefung 26
erstreckt sich zwischen den Stützrändern und unterhalb des
Wulstes. Fig. 2 zeigt, daß sich die Vertiefung seitlich in
einem Abstand von mindestens der Hälfte der Breite der
senkrechten Projektion des Wulstes über den Wulst an jeder
Seite des Wulstes erstreckt.
-
Es ist daher ersichtlich, daß der Balkenabschnitt 31
belastet und aus einer geraden oder rechtlinigen Konfiguration,
wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, weggebogen werden kann,
wenn die nicht gezeigten, durch die Öffnungen 26
hindurchgehenden sowie den Kopf H und den Block B des Motors
befestigenden Bolzen aus der in Fig. 2 dargestellten Position
in diejenigen Stellungen gezogen werden, die in den Fig. 3
bis 5 einschließlich beispielsweise veranschaulicht sind.
-
So nimmt, wie Fig. 2 bis 5 und Fig. 6, wo eine typische
Belastungskurve dargestellt ist, zeigen, der Feuerring der
vorliegenden Erfindung im Querschnitt einen am Ende
abgestützten, einzigen, an einem Punkt belasteten Balken an.
Der Kontrollwulst 34 ist der Belastungspunkt und die
Wulsthöhe ermöglicht die Deflektionskontrolle des Balkens, wie
ohne weiteres aus der Veränderung von Fig. 2 zu Fig. 3 zu
ersehen ist. Der Innenrand 32 und der Außenrand 32' stützen
den Balken und den Zwischenraum zwischen den Füßen 33, 33',
wobei der gestanzte Abschnitt oder die Vertiefung 36 die
Länge des Balkens bildet.
-
Wenn die kompressive Last, die von dem Drehmoment des
Zylinderkopfes und dem Motorblock über die Bolzen
aufgebracht wird, wird der Wulst 34 nach unten gedrückt, so
daß sich der Balkenabschnitt 31 verbiegt. Dies führt zu
einer Drehung der Innenkanten 38, 38' der Füße 33, 33' nach
außen oder voneinander weg und veranlaßt die oberen
Außenkanten des Feuerrings, sich relativ einwärts zu drehen, bis
sie den Zylinderkopf H berühren, wie in Fig. 3 dargestellt
ist. Während dieses Teils der Belastung verbiegt sich der
Balkenabschnitt 31 und, wie durch den Abschnitt A-B der
Kurve gezeigt ist (Fig. 6), zeigt deren Charakteristik eine
elastische Deformation bei einer relativ niedrigen
Belastung an.
-
Wenn der Zylinderkopf H weiter in Richtung des Motorblocks
B nach unten gezogen wird, wirken die Kräfte auf den
Feuerring etwas komplexer ein und erfordern eine viel höhere
Belastung. Wenn daher eine weitere Kompression auftritt, wird
die Drehung der Stützränder 32, 32' für den Balken
umgekehrt, d. h., die unteren Innenkanten 38, 38' der Füße
werden nach innen gegeneinander gedreht (und die oberen
Außenkanten der Ränder werden relativ nach außen gedreht),
wodurch der Balkenabschnitt gespannt wird, insbesondere im
Bereich seiner oberen Zone. Das Verhalten bei der Bewegung
aus der Position in Fig. 3 in diejenige in Fig. 4 ist eine
Kombination von Spannung und Biegung und ist in dem
Kurventeil B-C (Fig. 6) dargestellte wobei die Kennungen
derselben eine plastische Deformation und hohe Belastung sind.
Die Belastung wird merklich bis zu den gewünschten
Belastungsbereichen typischerweise verwendeter Metalle erhöht,
wie z. B. nicht rostendem Stahl und kohlenstoffarmem Stahl,
und stellt den Teil der Kurve dar, in dem die tatsächliche
Abdichtung stattfinden sollte.
-
Die Steilheit der Kurve kann gemäß dieser Erfindung durch
die Einstellung der Länge des Balkens (d. h. der Breite der
Vertiefung) und die Lage des Wulstes längs des Balkens
ebenso wie durch Einstellung der relativen Länge des
Wulstes in bezug auf die Länge der Vertiefung (oder des
Balkens) eingestellt werden.
-
Der C-D-Teil der Kurve (Fig. 6) ist einer, bei dem der
Zylinderkopf und der Motorblock unter Druck gegen die Ränder
wirken (wie Fig. 5 zeigt), und zwar in einer Weise, die
über die in Fig. 4 gezeigte Beziehung hinausgeht, wobei der
Abstand zwischen dem Kopf und Block im wesentlichen der
selbe war wie die Höhe der stützränder. In diesem Teil der
Kurve wird die Kurvenneigung viel steiler und steifer, weil
die Ränder die gesamte zusätzliche Belastung absorbieren.
In diesem Kurvenbereich widersteht der Feuerring einer
übermäßigen Bolzenbelastung und Hitzeschüben.
-
Bei der Herleitung der Kurve A-D in Fig. 6 wurde ein
Kreisring 30 aus kaltgewalztem Stahl geprüft. Der Kreisring 30
war in einem Durchmesserquerschnitt 3,81 mm (0,15 Zoll)
weit und 1,5748 mm (0,062 Zoll) hoch. Die Breite der
Vertiefung war 1,7018 mm (0,067 Zoll) mit einer Tiefe der
Vertiefung von etwa 0,127 mm (0,005 Zoll). Jeder stützrand war
0,9144 mm (0,036 Zoll) weit mal 1,5748 mm (0,062 Zoll)
hoch. Der Wulst war rechtwinklig und die Weite betrug
0,762 mm (0,030 Zoll) und 0,0762 mm bis 0,127 mm (0,003 bis
0,005 Zoll) hoch. Der Wulst wurde (im Querschnitt gesehen)
in bezug auf die Querschnittsweite des Kreisringes
zentriert und stand von diesem nach oben vor. Der
Innendurchmesser des Kreisringes betrug etwa 121,005 bis 121,513 mm
(4,764 bis 4,784 Zoll).
-
Wie hervorgehoben, zeigt die Kurve A-D in Fig. 6 das
Verhalten und die Belastungskapazität eines als Balken
wirksamen formgestanzten Feuerrings gemäß der vorliegenden
Erfindung. Sie zeigt auch eine typische Kurve E, die
schematisch eine Belastung in bezug auf die Biegekurve
darstellt, die mit einem typischen Feuerring entsteht, der
eine Armierungsverstärkung, einen Runddraht umfaßt, und
graphisch die wesentlich verbesserten Kennungen eines als
Balken wirksamen Feuerrings gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
-
Die Abmessungen des Feuerrings gemäß der vorliegenden
Erfindung können verändert werden, jedoch unter
Berücksichtigung dessen, daß der Ring einen Teil haben muß, der als
ein Balken wirksam ist, einen vorspringenden Wulst haben
muß und eine merklich weitere Vertiefung aufweist, und daß
er eine Belastungskurve aufweisen muß, die progressiv
zunächst unter Belastung als ein Balken, danach elastisch
unter einer verhältnismäßig niedrigen Last und daraufhin in
einem plastischen Deformationsschritt unter einer höheren
Belastung wirksam ist.
-
So ist die Weite der Vertiefung in dem Kreisring mindestens
zweimal so groß wie die Wulstbreite und vorzugsweise
mindestens dreimal so groß wie die Breite des Wulstes. Die
Wulsthöhe ist nicht größer als die Höhe der Vertiefung und
beträgt vorzugsweise nicht mehr als 60 % der Höhe der
Vertiefung. Der Wulst ist nach innen von dem Rand der
Vertiefung in einem Abstand von mindestens gleich der Hälfte der
Breite des Wulstes angeordnet.
-
Für den Fachmann ist ersichtlich, daß Abänderungen ohne
Abweichung von dem Geist und dem Schutzumfang der
vorliegenden Erfindung möglich sind. Demnach soll der Schutzumfang
der Patentansprüche alle Abänderungen erfassen.