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Die
Erfindung betrifft eine in einem Motor eingesetzte Zylinderkopfdichtung
und im Besonderen eine Verbesserung einer Zylinderkopfdichtung mit
einer Beilagscheibe, die eine Verbrennungskammeröffnung umgibt.
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Eine
auf dem Gebiet der Erfindung wohl bekannter Typ einer Zylinderkopfdichtung
weist eine ringförmige
Beilagscheibe aus Metall auf, die an einem flachen Abschnitt rund
um eine Verbrennungskammeröffnung,
welche in einer Metallplatte ausgebildet ist, angeschweißt ist.
Eine weitere auf diesem Gebiet bekannte Zylinderkopfdichtung (vgl.
die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 317.890/1997) umfasst
eine ringförmige
Nut, die eine in einer Metallplatte ausgebildete Verbrennungskammeröffnung umgibt,
eine ringförmige
Beilagscheibe, die in die ringförmige
Nut eingepasst ist, und eine ringförmige Randwulst, die außerhalb
der Beilagscheibe angeordnet ist und in dieselbe Richtung wie die
Beilagscheibe vorsteht.
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Da
in letzter Zeit von einem Motor immer mehr Effizenz verlangt wird,
steigt auch die Verbrennungstemperatur an. Der Anstieg der Verbrennungstemperatur
geht mit einer größeren Temperaturdifferenz
zwischen kaltem und warmen Zustand des Motors einher, was zu einem
erhöhten
Unterschied in der Wärmeausdehnung
zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf führt. Beim obgenannten ersteren
Typ, bei dem eine Beilagscheibe aus Metall an einem flachen Abschnitt
angeschweißt
ist, muß zur
Gewährleistung
einer starken Befestigung eine Naht- oder Mehrlagenschweißung durchgeführt werden.
Ein derartiger Schweißvorgang
führt jedoch
zu einem Anstieg der Herstellungskosten, und zudem verursacht die
während
des Schweißvorgangs
angelegte Hitze zu einer stärkeren
Verformung der Beilagscheibe und der Platte selbst, wodurch die
Dichtungsfähigkeit
gemindert wird und Schwierigkeiten beim Einbau in einen Motor auftreten.
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Beim
letzteren Typ, der in der angeführten Anmeldung
geoffenbart ist, kann die Verwendung eines Harzmaterials für die Beilagscheibe
in Bezug auf die Hitzebeständigkeit
bei hohen Verbrennungstemperaturen problematisch sein.
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Die
DE 299 12 950 U offenbart
eine Zylinderkopfdichtung mit einer ringförmigen Beilagscheibe aus Metall
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Angesichts
der oben beschriebenen Situation stellt die Erfindung eine Zylinderkopfdichtung
bereit, die bevorzugt in einem Motor mit höherer Verbrennungstemperatur
als nach dem Stand der Technik eingesetzt wird.
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Spezifischer
ist bei einer Zylinderkopfdichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
die ähnlich wie
eine herkömmliche
Zylinderkopfdichtung aufgebaut ist, eine ringförmige, von der Metallplatte
vorstehende Stufe ausgebildet, die die Verbrennungskammeröffnung umgibt,
wodurch im Inneren der vorstehenden Stufe eine ringförmige Nut
definiert ist, und die Beilagscheibe, die in die ringförmige Nut
eingepasst ist, ist aus einem Metallmaterial hergestellt und an
der Metallplatte in der Umfangsrichtung unterbrochen angeschweißt.
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Durch
die Anordnung der Erfindung, bei der die Beilagscheibe an der Metallplatte
unterbrochen angeschweißt
ist, wird die Differenz in der Wärmeausdehnung,
die auf die Beilagscheibe wirkt, bis zu einem gewissen Grad von
der Seitenwand der ringförmigen
Nut absorbiert, wodurch eine unterbrochene Schweißung, die
im Vergleich zum Naht- oder Mehrlagenschweißen eine schwächere Befestigungsstärke bereitstellt,
durchgeführt
werden kann.
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Infolgedessen
kann der notwendige Kostenaufwand im Vergleich zum Einsatz eines
Naht- oder Mehrlagenschweißverfahrens
gesenkt werden. Zudem kann die thermische Verformung, die an der
Beilagscheibe oder der Platte selbst auftritt, im Vergleich zum
Naht- oder Mehrlagenschweißen
gemindert werden, wodurch die Dichtungseigenschaft verbessert ist.
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Eine
aus einem Metall hergestellte Beilagscheibe weist eine höhere Wärmebeständigkeit
als eine aus einem Harzmaterial hergestellte Beilagscheibe auf und
ist zur Verwendung in einem Motor mit höherer Verbrennungstemperatur
bevorzugter als eine Zylinderkopfdichtung, die eine aus einem Harzmaterial
hergestellt Beilagscheibe einsetzt.
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Die
obgenannten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung
gehen aus der folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
hervor, in denen:
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1 eine
Querschnittsansicht einer Zylinderkopfdichtung 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung ist;
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2 eine
Querschnittsansicht in vergrößertem Maßstab eines
wesentlichen Teils aus 1 ist;
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3 eine ähnliche
Ansicht wie 2 ist, die veranschaulicht,
dass eine Beschichtung C örtlich einen
Spalt zwischen einer Beilagscheibe 3 und einer ringförmigen Nut 5 ausfüllt;
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4 eine
Querschnittsansicht einer Zylinderkopfdichtung 101 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist;
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5 eine
Querschnittsansicht einer Zylinderkopfdichtung 201 gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung ist; und
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6 eine
Querschnittsansicht einer Zylinderkopfdichtung 301 gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung ist.
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Nun
werden mehrere Ausführungsformen der
Erfindungen, in denen die vorliegende Erfindung auf eine Zylinderkopfdichtung 1 eines
Mehrzylindermotors angewendet ist, beschrieben. In 1 umfasst
eine Dichtung 1 eine einzelne Platte 1', bei der es
sich um eine biegsame Metallplatte handelt, die zum Kontaktieren
eines Zylinderblocks und eines Zylinderkopfs, beide nicht dargestellt,
angeordnet ist. Die Platte 1' ist
mit einer Verbrennungskammeröffnung 2 ausgestattet,
die in Ausrichtung mit einer Zylinderbohrung eines Motors, Schraubenöffnungen, nicht
dargestellt und Wasser-/Ölöffnungen,
durch welche Kühlwasser
und/oder Öl
geleitet wird, ausgebildet.
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Die
Dichtung 1 ist zwischen einem Zylinderblock und einem Zylinderkopf
eines Motors angeordnet und stellt zwischen diesen eine Dichtung
bereit, wenn Klemmschrauben, die durch die Schraubenöffnungen
hindurchtreten, zur integralen Verbindung des Zylinderblocks und
des Zylinderkopfs, um die Dichtung dazwischen liegend festzuhalten,
verwendet werden.
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Die
Platte 1' umfasst
eine Beilagscheibe 3, die die Verbrennungskammeröffnung 2 umgibt
und in Richtung des Zylinderblocks vorsteht, wodurch der Druck der
Kontaktoberflächen
zwischen der Beilagscheibe 3 und dem Zylinderblock und
dem Zylinderkopf örtlich
angehoben ist.
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Die
Platte 1' umfasst
auch eine volle Randwulst 4, die die Beilagscheibe 3 umgibt
und in dieselbe Richtung wie die Beilagscheibe vorsteht. Der Druck
der Kontaktoberflächen
ist zwischen einem Scheitelpunkt 4a der vollen Randwulst 4 und
dem Zylinderkopf sowie zwischen einem Rand 4b der Randwulst 4 und
dem Zylinderblock erhöht.
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Die
Höhe des
Vorsprungs der Beilagscheibe 3 ist so gewählt, dass
sie unter der Höhe
des Vorsprungs der vollen Randwulst 4 liegt. Auf diese
Weise wird ein hoher Oberflächendruck
von der Beilagscheibe 3 aufgenommen, die eine erhöhte Steifigkeit aufweist,
während
eine gutes Anpassungsvermögen von
der vollen Randwulst 4, die in Bezug auf eine Änderung
des Abstands zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf eine
hohe Nachgiebigkeit an den Tag legt, gewährleistet wird. Somit verhindert
die Beilagscheibe 3, dass die volle Randwulst 4 völlig zusammengedrückt wird.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
ist, wie in 2 in vergrößertem Maßstab dargestellt ist, eine
ringförmige
vorstehende Stufe 8 durch Pressbearbeitung eines flachen
Abschnitts 7 ausgebildet, die die Verbrennungskammeröffnung 2 umgibt,
um eine ringförmige
Nut 5 im Inneren der ringförmigen vorstehenden Stufe 8 zu
definieren. Die Beilagscheibe 3 umfasst ein Metallmaterial,
wie beispielsweise Edelstahl, und ist in die ringförmige Nut 5 eingepasst.
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Die
Beilagscheibe 3 ist durch an der Platte 1' befestigt,
indem sie durch eine unterbrochene Schweißung an bestimmten Stellen
des Umfangs angeschweißt
ist. Natürlich
erfahren die Beilagscheibe 3 und die Platte 1' eine unterschiedliche
Wärmeausdehnung,
und diese Wärmeausdehnung
unterscheidet sich wiederum von der Wärmeausdehnung des Zylinderblocks,
an den die Beilagscheibe 3 anstößt, und des Zylinderkopfs,
an den die Platte 1' anstößt. Dementsprechend
müßte angenommen
werden, dass eine Nahtschweißung
entlang dem Umfang oder eine radial gerichtete Mehrfachschweißung der Beilagscheibe
vorgenommen werden muß,
um eine ausreichende Befestigungsstärke zur Beständigkeit gegenüber dem
Unterschied in der Wärmeausdehnung,
der zwischen kaltem und warmem Zustand des Motors vorliegt, bereitzustellen.
Eine derartige Naht- oder Mehrlagenschweißung führt jedoch zu höheren Herstellungskosten
und verursacht zudem eine thermische Verformung der Beilagscheibe
und der Platte, was einen Gasaustritt aus dem Abstand zum Zylinderkopf
oder zum Zylinderblock verursacht oder für Schwierigkeiten beim Einbau
in einen Motor sorgt.
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Bei
der beschriebenen Anordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung wird jedoch beim Einsatz eines unterbrochenen Schweißverfahrens,
das im Vergleich zum Naht- oder
Mehrlagenschweißen
eine geringere Stärke
bereitstellt, die Differenz in der Wärmeausdehnung, die auf die
Beilagscheibe 3 wirkt, bis zu einem gewissen Grad von der
Seitenwand 5a der ringförmigen
Nut 5 absorbiert, ohne dabei für Schwierigkeiten zu sorgen.
(In 2 ist in übertriebenem Maße ein Abstand
zwischen der Beilagscheibe 3 und der Seitenwand 5a dargestellt,
um die Gegenwart einer Beschichtung C, die zwischen diesen eindringt, zu
veranschaulichen).
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Aus
der vorangegangenen Beschreibung geht somit deutlich hervor, dass
die unterbrochene Schweißung
eine ausreichende Aufnahmefähigkeit bereitstellt,
ohne Probleme zu verursachen. Im Vergleich zum Einsatz eines Naht-
oder Mehrlagenschweißverfahrens
minimiert die unterbrochene Schweißung die Herstellungskosten.
Zudem wird die Differenz in der Wärmeausdehnung im Vergleich
zur Naht- oder Mehrlagenschweißung
reduziert, wodurch ein Beitrag zur Verbesserung der Dichtungsfähigkeit
in Bezug auf den Zylinderkopf und/oder Zylinderkopf geleistet wird.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
ist die ringförmige
Nut 5 als Resultat einer Pressbearbeitung ausgebildet,
durch die die vorstehende Stufe 8 gebildet wird. Dies stellt
den zusätzlichen
Vorteil bereit, dass die Dichtungsfähigkeit an der Seite, die der Beilagscheibe
gegenüberliegt,
verbessert werden kann, indem der Oberflächendruck an der Seite, die der
Beilagscheibe gegenüberliegt,
durch die Gegenwart der vorstehenden Stufe 8 örtlich angehoben wird,
was bei der Bildung einer ringförmigen
Nut durch einen Schneidevorgang, der eine völlig glatte Oberfläche an einer
Stelle im Inneren der Randwulst beispielsweise nicht der Fall ist.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
wird die Beschichtung C zur Gänze
auf beide Oberflächen der
Zylinderkopfdichtung 1 mit der an der Platte 1' befestigten
Beilagscheibe 3 aufgebracht, wodurch die Beschichtung C
auf positive Weise einen Austritt des Verbrennungsgases aus dem
Zwischenraum zwischen der Beilagscheibe 3 und der Platte 1' verhindert.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
ist die Vorsprungshöhe
T1 der Beilagscheibe 3 so gewählt, dass sie größer ist
als die Vorsprungshöhe
T2 der vorstehenden Stufe 8, und die Randwulst 4 ist
so angeordnet, dass sie mit der größeren Vorsprungshöhe die in
dieselbe Richtung wie die Beilagscheibe 3 vorsteht, wodurch
eine übermäßige Kompression
und ein verfrühter
Verlust an Nachgiebigkeit der Randwulst 4 verhindert wird.
Für den
Fall, dass die Vorsprungshöhe
T2 der vorstehenden Stufe 8 größer als die Vorsprungshöhe T1 der
Beilagscheibe 3 gewählt ist,
ist die Randwulst so angeordnet, dass sie in dieselbe Richtung wie
die vorstehende Stufe 8 vorsteht.
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Die
Beilagscheibe 3 der vorliegenden Erfindung stellt eine
bessere Wärmebeständigkeit
als eine aus einem Harzmaterial gebildete Beilagscheibe bereit.
Spezifisch liegt die auf die Beilagscheibe einwirkende Temperatur,
auch wenn diese von der Art des Motors abhängt, im Allgemeinen in einem
Bereich von 200 bis 300 Grad, was der thermischen Belastbarkeitsgrenze
eines Harzmaterials sehr nahe kommt. Im Gegensatz dazu kann die
Beilagscheibe 3, die aus einem Metallmaterial gebildet
ist, einer derartigen Temperatur ohne Schwierigkeiten standhalten,
weshalb diese zur Verwendung in einem Motor mit einer Verbrennungstemperatur,
die eine hohe Wärmebelastung
auf ein Harzmaterial ausübt,
bevorzugt ist. Zudem ist die Beilagscheibe 3 aus einem Metallmaterial
gebildet, das im Vergleich zu einer aus einem Harzmaterial hergestellten
Beilagscheibe äußerst präzise geformt
werden kann. Spezifisch kann die aus einem Metallmaterial gebildete
Beilagscheibe 3 mit einer Präzision im Bereich von 1 Mikron
hergestellt werden, während
eine aus einem Harzmaterial hergestellte Beilagscheibe bestenfalls
mit einer Präzision
in der Größenordnung
von 10 Mikron gefertigt werden kann, und die erhöhte Präzision führt zu einer Verbesserung der
Dichtungsfähigkeit.
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In
der beschriebenen Ausführungsform
sind die Beilagscheibe 3 und die volle Randwulst 4 so ausgebildet,
dass sie dem Zylinderblock gegenüberliegen,
jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Anordnung eingeschränkt, und
diese Teile können
auch als dem Zylinderkopf gegenüberliegend
ausgebildet sein.
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Obwohl
in der beschriebenen Ausführungsform
die Beschichtung C auf die beiden Oberflächen der Zylinderkopfdichtung
vollständig
aufgetragen wird, ist auch hier die Erfindung nicht darauf eingeschränkt; statt
dessen kann die Beschichtung C, so wie in 3 gezeigt,
auch örtlich
einen Spalt zwischen der ringförmigen
Nut 5 und der Beilagscheibe 3 ausfüllen.
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4 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung. In der ersten Ausführungsform umfasst eine einschichtige
Zylinderkopfdichtung 1 eine einzelne Platte 1', und es ist
eine einzelne Beilagscheibe 3 dargestellt. In der vorliegenden
Ausführungsform hingegen
umfasst eine Zylinderkopfdichtung 101 ein Paar an Platten 101', 110,
die übereinander
angeordnet sind, und eine Beilagscheibe 103, die im Inneren einer
ringförmigen
in der oberen Platte 101' ausgebildeten
Nut 105 befestigt ist und so angepasst ist, dass sie zwischen
ringförmigen
Nuten 105, 111, die in den zwei Platten 101', 110 ausgebildet
sind, gehalten wird.
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Die
Kombination aus der oberen Platte 101' und der Beilagscheibe 103 umfasst
somit dieselbe Struktur, die in der ersten Ausführungsform bereitgestellt ist,
und die untere Platte 110 ist in vertikaler Richtung symmetrisch
in Bezug auf die obere Platte 101' ausgebildet, mit der Ausnahme,
dass die untere Platte 110 über keine Beilagscheibe verfügt.
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Die
Beilagscheibe ist auf ähnliche
Weise wie in der ersten Ausführungsform
an die Platte 101' unterbrochen
angeschweißt,
und die Beschichtung C füllt
den Spalt zwischen der Beilagscheibe 103 und der ringförmigen Nut 105,
die sie aufnimmt.
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Ist
die Zylinderkopfdichtung 101 zwischen dem Zylinderkopf
und dem Zylinderblock eingeschoben und gehalten, so stoßen die
Randwulst 104 der oberen Platte 101' und die Randwulst 112 der
unteren Platte 110 aneinander, um einer Kompressionsverformung
(nicht dargestellt) zu unterliegen, und die Beilagscheibe 103 an
der oberen Platte 101' und
eine ringförmige
Nut 111, die in der unteren Platte 110 ausgebildet
ist, bewegen sich zueinander hin, sodass die Beilagscheibe 103 schlussendlich
von der ringförmigen
Nut 111 aufgenommen wird und an den Boden der ringförmigen Nut 111 anstößt. In der
Folge ist die Beilagscheibe 103 zwar nicht an der unteren
Platte 110 angeschweißt,
sie befindet sich aber in einem Zustand, in dem sie als Resultat
der Wirkung der ringförmigen
Nut 111, die die Beilagscheibe 103 aufnimmt, im
Wesentlichen an diese angeschweißt ist.
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Dementsprechend
ermöglicht
die laminierte Zylinderkopfdichtung 101 der vorliegenden
Erfindung die Senkung der Herstellungskosten im Vergleich zu einer
Nahtschweißung
der Beilagscheibe und wird für
die Verwendung in einem Motor mit einer Verbrennungstemperatur,
die über
der bei der Verwendung einer Beilagscheibe aus einem Harzmaterial
möglichen
liegt, bevorzugt.
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5 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, in der die in der Platte 110 ausgebildete
ringförmige
Nut 111 der zweiten Ausführungsform weggelassen wird,
um eine flache Platte bereitzustellen.
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Mit
einer Zylinderkopfdichtung 201, die auf diese Weise aufgebaut
ist, können
eine ähnliche Funktionsweise
und Wirkung wie mit der zweiten Ausführungsform erzielt werden,
mit der Ausnahme, dass im Gegensatz zur zweiten Ausführungsform
die Anschlagwirkung, die die ringförmige Nut 111 in der Platte 110 auf
die Beilagscheibe ausübt,
fehlt.
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6 zeigt
eine vierte Ausführungsform
der Erfindung. In der dritten Ausführungsform umfasst die Zylinderkopfdichtung 201 ein
Paar an Platten 201' und 210,
in der vorliegenden Ausführungsform hingegen
ist eine einzelne innere Platte 313 zwischen einem Paar
an Platten 301' und 310 angeordnet.
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Eine
vorstehende Stufe 313a, die in dieselbe Richtung wie eine
Beilagscheibe 303 vorsteht, ist um eine Verbrennungskammeröffnung,
die in der inneren Platte 313 ausgebildet ist, herum ausgebildet.
Die Vorsprungshöhe
der vorstehenden Stufe 313 ist so gewählt, dass sie gleich wie oder
leicht niedriger als die Vorsprungshöhe der Beilagscheibe 303 ist,
wodurch, wenn die Zylinderkopfdichtung zwischen dem Zylinderkopf
und dem Zylinderblock eingeschoben gehalten wird, die Beilagscheibe 303 an
die vorstehende Stufe 313a der inneren Platte 313 anstößt, die wiederum
an einen Abschnitt der Platte 310, der von der vollen Randwulst 307 aus
nach innen hin angeordnet ist. Was die weiteren Gesichtspunkte betrifft, so
ist die Anordnung der der dritten Ausführungsform ähnlich.
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Die
vierte Ausführungsform,
die auf diese Weise aufgebaut ist, ist imstande, eine ähnliche Funktionsweise
und Wirkung auszuüben,
wie sie von der dritten Ausführungsform
erzielt werden.
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Es
sollte sich verstehen, dass die Vorsprungshöhe der Beilagscheibe in der
ersten bis vierten Ausführungsform
in Umfangsrichtung variieren kann.
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Obwohl
in der ersten bis vierten Ausführungsform
eine volle Randwulst verwendet wird, ist die Erfindung nicht darauf
eingeschränkt,
und eine halbe Randwulst kann statt dessen eingesetzt werden.