Dichtungssystem, insbesondere für Anschlussverbindungen an Strömungswegen für Heißgase

Die Erfindung betrifft ein Dichtungssystem, insbesondere für Anschlussverbindungen an Strömungswegen für Heißgase wie Abgasströme von Brennkraftmaschinen, mit einem Dichtungsträger und zumindest einem Dichtelement, das eine zwischen Dichtflächen gelegene Dichtungsebene defi- niert.

Bei abzudichtenden Anschlussverbindungen in Heißgasbereichen, wie bei Verbrennungsmotoren beispielsweise am Krümmerausgang, am Turbolader, am Katalysator oder auch im Anschlussbereich zwischen Zylinderkopf und Abgaskrümmer, treten sowohl hohe thermische Belastungen als auch mechanische Belastungen auf, sodass für die zugeordneten Dichtungssysteme ein hoher konstruktiver Aufwand erforderlich ist. Als Dichtelemente müssen metallische Dichtungen aus hitzebeständigen Werkstofflegierungen zum Einsatz kommen, wobei die abgasführenden Anschlussteile in ihrer Funkti- on als Dichtungsträger eine Nut oder einen Absatz für ein betreffendes, ringförmiges Dichtelement aufweisen müssen. Diese Bauweise bedeutet nicht nur einen erheblichen Herstellungsaufwand, sondern bedingt auch eine mechanische Schwächung betreffender Anschlussteile.

Probleme ergeben sich auch hinsichtlich der Montagesicherheit, weil bei Montagevorgängen darauf geachtet werden muss, dass an der jeweiligen

Anschlussverbindung die betreffenden Dichtelemente tatsächlich vorhanden, und nicht versehentlich weggelassen sind, und dass sie an den Anschlussteilen richtig positioniert sind.

Im Hinblick auf diese Problematik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein Dichtungssystem zur Verfügung zu stellen, das sich durch eine eine wirtschaftliche Herstellung ermöglichende Bauweise auszeichnet, wobei zudem Montagesicherheit gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch ein Dichtungssystem gelöst, das die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.

Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 der Dichtungsträger ein eigenständiges Bauteil ist, das vom Dichtelement als weiterem eigenständigen Bauteil zwar separiert, andererseits mit dem

Dichtelement jedoch verliersicher verbunden ist, gestaltet sich zum einen der Montagevorgang besonders einfach und sicher, weil die Gefahr vermieden ist, dass der Dichtungsträger ohne vorhandenes Dichtelement eingebaut wird. Zum anderen ergeben sich gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verringerte Herstellungskosten, weil zum einen kein Bearbeitungsaufwand an den Anschlussteilen, beispielsweise durch Ausbildung von Nuten oder Absätzen für das Dichtelement, erforderlich ist und weil zum anderen nur die funktionsrelevanten Dichtelemente selbst aus teuren, hitzebeständigen Werkstoffen hergestellt werden müssen, während der Dichtungsträger aus einem weniger teuren Werkstoff gefertigt werden kann.

Vorzugsweise ist die Anordnung hierbei so getroffen, dass der Dichtungsträger, wenn er im Einbauzustand zwischen Anschlussteilen der Anschlussverbindung festgelegt ist, das Dichtelement zumindest gegen eine in einer Richtung quer zur Dichtungsebene verlaufende Bewegung sichert oder für einen Dichtvorgang freigibt. Je nach thermischen Belastungen und/oder der

Geometrie des Dichtelementes kann eine starre Verbindung zwischen Dichtungsträger und Dichtelement vorteilhafter sein, beispielsweise indem das Dichtelement mit dem Dichtungsträger verstemmt, verschweißt, verklebt oder in den Dichtungsträger eingesprengt ist, oder es kann vorteilhaf- ter sein, die Verbindung so zu gestalten, dass im Einbauzustand bei einer entsprechenden Verformung, die sich am Dichtelement beim Dichtvorgang unter Einfluss der Dichtungskraft ergibt, eine gewisse Bewegung des Dichtelementes relativ zum Dichtungsträger möglich ist.

Vorzugsweise ist als Dichtungsträger ein Ringkörper vorgesehen, der an zumindest einem Randabschnitt für das Dichtelement einen Sitz aufweist, der die verliersichere Verbindung von Dichtelement und Dichtungsträger bildet.

Anstelle eines Ringkörpers, der als Dichtungsträger zwischen betreffende Anschlussteile der Anschlussverbindung eingebaut wird, kann als Dichtungsträger ein flaches, platinen- oder flanschartiges Bauteil mit zumindest einer Durchgangsöffnung vorgesehen sein, wobei am den Strömungsweg umgebenden öffnungsrand der betreffenden Durchgangsöffnung zumindest ein Randabschnitt für das Dichtelement einen Sitz aufweist, der die verliersichere Verbindung von Dichtelement und Dichtungsträger bildet. Eine derartige Ausgestaltung des Dichtungsträgers in Art einer Platine eignet sich insbesondere für Anschlussverbindungen zwischen einem Abgaskrümmer und einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors. Hierbei kann sich der Dichtungsträger über mehrere nebeneinander liegende Abgas-Austrittsöffnungen am Zylinderkopf erstrecken, wobei der Dichtungsträger an Randabschnitten mehrerer Durchgangsöffnungen mit Dichtelementen zusammenwirkt, sodass für mehrere Dichtelemente an nebeneinander liegenden Anschlussverbindungen ein einziger Dichtungsträger vorgesehen ist.

Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist ein einen Formring bildendes Dichtelement vorgesehen, wobei der Sitz am betreffenden Randabschnitt des Dichtungsträgers zumindest ein sich entlang eines Umfangsabschnittes des Formringes erstreckendes Flächenstück aufweist.

Hierbei kann die Anordnung so getroffen sein, dass der Sitz zur Sicherung des Formringes gegen in beiden Richtungen quer zur Dichtungsebene verlaufende Bewegungen zumindest zwei Flächenstücke aufweist, die einen zwischen sie eingreifenden Umfangsabschnitt des Formringes zu beiden Seiten der Dichtungsebene übergreifen.

Zur Bildung solcher den Formring zumindest bereichsweise übergreifender Flächenstücke kann der Sitz für den Formring durch eine am Randabschnitt des Dichtungsträgers in Radialrichtung vertiefte Ringnut gebildet sein, in die der Formring mit zumindest einem Umfangsabschnitt eingreift. Der Formring kann in die Ringnut derart eingesprengt sein, dass eine begrenzte Relativbewegung zwischen Formring und Dichtungsträger möglich ist.

Jedoch kann der Formring mit dem Dichtungsträger auch verstemmt sein, indem die sich entlang eines Umfangsabschnittes des Ringkörpers erstrek- kenden Flächenteile des Sitzes für das Dichtelement durch bereichsweise plastische Verformungen des betreffenden Randabschnittes des Dichtungsträgers gebildet sind.

Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist als Dichtelement ein Formring mit C-, U- oder V-förmigem Profilquerschnitt oder mit mäander- förmiger Querschnittsform oder ein durch einen kombinierten Sickenring gebildeter Formring vorgesehen.

Vorzugsweise ist ein derartiger Formring relativ zum Dichtungsträger und zum Strömungsweg in solcher Lageanordnung vorgesehen, dass die Profil-

form des Formringes radial nach innen geöffnet ist. Bei solcher Lageorientierung gestaltet sich nicht nur die Verbindung zwischen Formring und Dichtungsträger am Sitz desselben besonders einfach, sondern aufgrund der zum Strömungsweg hin offenen Profilform ergeben sich auch besonders gute Verhältnisse hinsichtlich der Abdichtwirkung, weil der Formring vom Profilinneren her im Betrieb druckbeaufschlagt ist, was am Formring aufweitend und dichtkrafterhöhend wirkt.

Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist ins Innere des Profiles ein den Strömungsweg umgebender Innenring als Feuerschutz eingelegt, insbesondere fixiert, der eine Reduzierung der Temperatur im Dichtbereich bewirkt, was bei sehr hohen Abgastemperaturen von großer Bedeutung ist.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im Einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen abgebrochen gezeichneten Teillängsschnitt eines ersten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Dich- tungssystemes, wobei lediglich ein linksseitig gelegener Endabschnitt des Ausführungsbeispieles in einem gegenüber einer realen Ausführungsform stark vergrößerten Maßstab dar- gestellt ist;

Fig. 2 eine annähernd in natürlichem Maßstab gezeichnete Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispieles des Dichtungssystems mit einem flanschartigen Dichtungsträger; Fig. 3 eine gegenüber Fig. 2 in etwa vergleichbarem Maßstab dar- gestellte Draufsicht eines abgebrochen gezeichneten, platinenartigen Dichtungsträgers, wobei in der Figur linksseitig

und rechtsseitig zwei unterschiedliche Ausführungsbeispiele des Dichtungssystems dargestellt sind;

Fig. 4 eine der Fig. 2 ähnliche Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispieles des Dichtungssystemes; Fig. 5 bis 11 abgebrochen und gegenüber einer praktischen Ausführungsform stark vergrößerte Längsschnitte lediglich eines äußeren Endbereiches unterschiedlicher Bauformen von Formringen zur Verwendung als Dichtelement beim erfindungsgemäßen Dichtungssystem; Fig. 12 einen abgebrochen und ebenfalls in stark vergrößertem

Maßstab gezeichneten Teillängsschnitt eines weitere Ausführungsbeispieles des Dichtungssystemes, wobei lediglich der Verbindungsbereich zwischen Dichtungsträger und Formring gezeigt ist; und Fig. 13 bis 20 der Fig. 12 ähnliche Teillängsschnitte weiterer Ausführungsbeispiele des Dichtungssystems, wobei Fig.2O einen teilweise Schnitt betreffend den Gegenstand der Fig.4 darstellt.

Die in den Fig.1 sowie 5 bis 20 gezeigten, vertikal angeordneten Achsen- verlaufe betreffen die Längsachsen des jeweiligen abzudichtenden Strömungsweges.

Die Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Dichtungssystems, wobei in dem abgebrochen dargestellten, in übertrieben großem Maßstab ge- zeichneten Teillängsschnitt lediglich der Verbindungsbereich zwischen

Dichtungsträger und einem Dichtelement in Form eines metallischen Formringes 1 gezeigt ist, bei dem es sich um einen einteiligen Profilkörper handelt, dessen Profil eine V-förmige Querschnittsform besitzt. Der Formring 1 ist einem Dichtungsträger zugeordnet, der die Form eines kreisrunden, me- tallischen Ringkörpers 3 besitzt, der zwischen nicht dargestellten Anschlussteilen einer betreffenden Anschlussverbindung so festlegbar ist, dass er zu-

sammen mit dem Formring 1 einen Strömungsweg für ein Heißgas, zum Beispiel einen Abgasstrom, bildet. Der Ringkörper 3 weist an seinem radial innen liegenden Ringrand 5 einen Sitz für den Formring 1 auf, wobei bei dem Beispiel von Fig. 1 als Sitz eine in Radialrichtung vertiefte, im Quer- schnitt gesehen rechteckförmige Ringnut 7 vorgesehen ist. Der Formring 1, dessen Profilform zum Strömungsweg hin nach innen offen ist, ist in die Ringnut 7 eingesprengt, sodass die parallel zur Dichtungsebene verlaufenden Innenwände 9 der Ringnut 7, die einstückiger Bestandteil des Ringkörpers 3 sind, den zwischen sie eingreifenden Umfangsabschnitt 11 des Formringes 1 übergreifen und daher eine verliersichere Halterung für den Formring 1 bilden.

Die Figuren 5 bis 11 verdeutlichen unterschiedliche Bauformen von Formringen 1, wie sie beim Ausführungsbeispiel von Fig. 1 sowie bei den weite- ren, nachstehend zu beschreibenden Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Dichtungssystems vorteilhaft zur Anwendung kommen können. So zeigen Figuren 7 und 8 einen einteiligen Formring mit V- förmiger Profilquerschnittsform, wobei das Profil bei Fig. 7, ebenso wie bei dem Beispiel von Fig. 1 , radial nach innen offen ist, während Fig. 8 einen Formring 1 mit V-förmiger Profilform zeigt, die jedoch radial nach innen geschlossen ist. Figuren 5 und 6 zeigen jeweils einen Formring 1 mit C- förmiger Profilform, die bei Fig. 5 radial nach innen und bei Fig. 6 radial nach außen offen ist.

Figuren 9 und 10 zeigen ebenfalls einteilige Formringe 1 mit mäanderför- miger Profilquerschnittsform, die bei Fig. 9 radial nach innen und bei Fig. 10 radial nach außen offen ist. Die mäanderförmige Querschnittsform des Formringes 1 von Figuren 9 und 10 zeichnet sich durch einen größeren „Federweg" des Formringes 1 bei der Verformung durch die wirkende Dich- tungskraft aus, verglichen mit den Profilformen gemäß Figuren 5 bis 8.

Die Fig. 11 zeigt einen Formring 1, aufgebaut durch Kombinieren zweier Metall-Sickenringe 13. Die Sickenringe 13 können zur Bildung des Formringes 1 derart kombiniert sein, dass sie an einem flachen, radial außen liegenden Endrand 15 fest miteinander verbunden sind, beispielsweise durch Schweißen oder Kleben, oder dass sie am betreffenden Sitz des zugeordneten Dichtungsträgers zusammengehalten sind, wie dies bei dem unten zu beschreibenden Ausführungsbeispiel von Fig. 19 der Fall ist.

Die Fig. 2 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem der Dich- tungsträger, anders als beim Beispiel von Fig. 1, kein kreisrunder Ringkörper 3, sondern ein flächiges, flanschartiges Bauteil 17 ist, das die Form eines dreiseitigen Gleichdickes besitzt, wobei in den drei Eckbereichen jeweils ein Loch 19 vorhanden ist, das den Durchtritt von Gewindebolzen ermöglicht, wenn das Bauteil 17 im Einbauzustand zwischen betreffenden, nicht gezeigten Anschlussteilen angeordnet ist. Das Bauteil 17 weist eine Durchgangsöffnung 23 auf, an deren den Strömungsweg umgebendem Innenrand 21 wiederum ein Sitz für ein Dichtelement vorgesehen ist, bei dem es sich wiederum um einen Formring 1 handelt, wie er insbesondere in den Figuren 5 bis 11 gezeigt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 befin- det sich dieser Sitz jeweils an einem Randabschnitt 25 der öffnung 23, der einem der Löcher 19 gegenüberliegend ist. In jedem dieser Randabschnitte 25 ist der Innenrand 21 so verstemmt, und zwar von beiden Seiten des Bauteiles 17 her, dass plastisch radial nach innen verformte Flächenstücke 27 den Formring 1 beidseits übergreifen. Nähere Einzelheiten einer derartigen Ausbildung des Sitzes durch Verstemmen sind weiter unten anhand der Beschreibung der Figuren 16 und 17 näher erläutert.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Dichtungssystems, bei dem der Dichtungsträger, ähnlich wie bei Fig. 2, ein flaches Bauteil 17 ist, das jedoch platinenartig gestaltet und mehrere in Reihe angeordnete Durchgangsöffnungen 23 für mehrere Abgasauslässe eines Zylinderkopfes auf-

weist. Wie bei dem flanschartigen Bauteil 17 von Fig. 2 sind im platinenartigen Bauteil 17 Löcher 19 für Gewindebolzen vorgesehen. In Fig. 3 ist bei der linksseitig gezeigten Durchgangsöffnung 23 für den Formring 1 ein Sitz vorgesehen, der sich am Randabschnitt 25 zwischen Endstellen 29 erstreckt und, wie dies in Fig. 13 deutlicher dargestellt und bei dem Beispiel von Fig. 1 gleichermaßen der Fall ist, durch eine Ringnut 7 gebildet ist, deren Seitenwände 9 einen Umfangsabschnitt 1 1 des Formringes 1 beidseits übergreifen. Wie die Fig.13 zeigt, ist die Nut 7 im Querschnitt gesehen recht- eckförmig ausgebildet und die Seitenwände 9 verlaufen in parallelen Ebe- nen zueinander und jeweils nach außen hin bündig abschließend mit der sonstigen Oberseite des Dichtungskörpers 3.

Die Fig. 3 zeigt an der rechtsseitig gelegenen Durchgangsöffnung 23 eine Ausbildung des Sitzes für den Formring 1 , die dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 ähnlich ist. Wie dies in Figuren 16 und 17 deutlicher gezeigt ist, sind am Innenrand 21 der öffnung 23 Bohrungen 31, siehe Fig. 16, oder Einkerbungen 33, siehe Fig. 17, vorhanden, von denen ausgehend das Bauteil 17 so verstemmt ist, dass plastisch radial nach innen verformte Flächenstük- ke 27 einen Umfangsabschnitt 11 des Formringes 1 übergreifen, siehe Figu- ren 16 und 17.

Bei Einsatz eines platinenartigen Bauteiles 17, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, bei Anschlussverbindungen an einem Zylinderkopf, können am platinenartigen Bauteil 17 Maßnahmen vorgesehen sein, um eine thermische Ent- kopplung zwischen den Anschlussteilen und dem Zylinderkopf zu bewirken. Zu diesem Zwecke ist der Platinensteg 35 zwischen den öffnungen 23 schmal ausgeführt, um die Wärmeleitfläche zu verringern. Außerdem können weitere Maßnahmen vorgesehen sein, beispielsweise Durchbrüche im Bauteil 17, um die Anlagefläche zu verkleinern, oder es können auch Anti- friktions-Maßnahmen an den platinen- oder flanschartigen Bauteilen 17 vorgesehen sein.

Die Figuren 14 und 15 zeigen alternative Möglichkeiten der Ausbildung einer Ringnut 7 als Sitz für den Formring 1. Bei dem Beispiel von Fig. 14 sind die den Umfangsabschnitt 1 1 des Formringes übergreifenden Seiten- wände 9 der Ringnut 7 durch flache, scheibenförmige Bauteile 37 gebildet, die an der Durchgangsöffnung 23 über das Bauteil 17 radial nach innen vorstehen und mit den vorstehenden Teilen die Wände 9 der Ringnut 7 bilden.

Fig. 15 zeigt eine weitere Alternative der Ausbildung der Ringnut 7 in der Weise, dass der Dichtungsträger 3 oder 17 aus zwei spiegelbildlich gleichen Platten 39 zusammengesetzt ist (durch Verkleben, Schweißen oder dergleichen), wobei jede Platte 39 an ihrem von der Dichtungsebene axial entfernten Ende einen radial nach innen vorstehenden Rand 41 zur Bildung der Seitenwände 9 der Ringnut 7 aufweist.

Vorstehend wurden Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen der Formring 1 jeweils am Richtungsträger so orientiert ist, dass das Profil radial nach innen offen ist. Fig. 12 verdeutlicht ein Beispiel, bei dem der Formring 1 mit einem C-Profil am Dichtungsträger, der ein Ringkörper 3 oder flächiges Bauteil 17 sein kann, so orientiert ist, dass das Profil radial nach außen offen ist. Bei diesem Beispiel ist an einem Ende der C-Form ein sich radial nach außen erstreckender, das Profil verlängernder Profilschenkel 45 vorhanden, der an einer axial zurückgestuften, sich parallel zur Dichtungsebe- ne erstreckenden Anlagefläche 47 anliegt (verschweißt, verklebt oder anderweitig befestigt ist).

Wie bereits erwähnt, ist in Fig. 11 ein Formring 1 gezeigt, der aus Sicken- ringen 13 kombiniert ist. Fig. 18 zeigt ein Beispiel der Anordnung eines derartigen Formringes 1 am Dichtungsträger, also einem Ringkörper 3 oder einem flächigen Bauteil 17, wobei der Endrand 15 des Formringes 1 wie-

derum an einer Anlagefläche 47 gehalten ist, die sich wie bei dem Beispiel von Fig. 12 als Abstufung am Dichtungsträger 3, 17 parallel zur Dichtungsebene erstreckt, wobei der Endrand 15 wiederum mit der Anlagefläche 47 auf geeignete Weise verbunden sein kann.

Fig. 19 zeigt, dass der aus Sickenringen 13 kombinierte Formring 1 mit seinem Endrand 15 in einer passenden Nut 49 an der öffnung 23 des Dichtungsträgers 3, 17 eingesprengt ist. Hierbei kann bei geeigneter Passung die Befestigung der beiden Sickenringe 13 untereinander entfallen.

Figuren 4 und 20 verdeutlichen ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Dichtungssystems. Hier kommt wiederum ein Formring 1 mit V- förmigem Profilquerschnitt zum Einsatz, wobei das Profil radial nach innen offen ist. In ähnlicher Weise wie bei dem Beispiel von Fig. 12 weist das Profil einen die Profilform verlängernden, in diesem Fall radial nach innen vorstehenden Profilschenkel 51 auf, der innenseitig eine parallel zur Dichtungsebene verlaufende Anlagefläche 53 bildet. Auf dieser aufliegend ist ein als Feuerschutz dienender Metallring 55 eingelegt, der den Strömungsweg umgibt und bei sehr hohen Abgastemperaturen eine thermische Barrie- re als Schutzschild für den Formring 1 bildet. Beim Beispiel von Fig. 20 ist der Sitz am Dichtungsträger 3, 17 wiederum durch eine Ringnut 7 gebildet, deren Gestaltung dem Beispiel von Fig. 14 entspricht.

Fig. 4 zeigt die Anwendung des in Fig. 20 gezeigten Prinzips des Feuer- Schutzes mittels eines eingelegten Ringes 55 am Beispiel eines Dichtungsträgers in Form eines flächigen, flanschartigen Bauteiles 17, wie es auch beim Beispiel von Fig. 2 benutzt wird. Wie bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Sicherung des Formringes 1 durch Verstemmen, d. h. durch Flächenstücke 27, die durch bereichsweise plastische Verformung des flansch- artigen Bauteiles 17 gebildet sind. Es versteht sich, dass auch bei Verwendung eines dem Feuerschutz dienenden Ringes 55 anstelle des in Fig. 4

gezeigten Verstemmens eine der andersartigen gezeigten Möglichkeiten der Ausbildung des Sitzes am Dichtungsträgers 3, 17 vorgesehen sein kann. Auch kann ein Innenring 55 in einen Formring 1 andersartiger Profilform eingelegt sein, beispielsweise in eine C- oder U-Form oder in eine Mäan- derform oder dergleichen, wenn ein entsprechender Profilsteg als Auflage für den Ring 55 vorgesehen ist. Sofern für das Dichtelement von einem Ringkörper die Rede ist, schließt dies neben kreisrunden Ausführungen auch solche mit annähernder Kreisform mit ein. Ferner erstreckt sich der Begriff „Dicht- oder Formring" auch auf Ringausführungen mit ovaler Form oder solcher in Rechteckausführung, wobei vorzugsweise die Ecken des Rechtecks abgerundet ausgeführt sind. Andere Ringformen sind hier möglich. Die jeweiligen Aufnahmen für den Form- oder Dichtring folgen vorzugsweise insoweit seiner jeweiligen Geometrie nach.