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Technik Motor Die hohe DichTkunsT Lage für Lage: Metalllagen-Zylinderkopfdichtungen wie die „Metaloflex“ von Elring Klinger sind in vielen Motoren verbaut – und je nach Anwendung ein- oder mehrlagig. (Fotos: Elring Klinger) Die Zylinderkopfdichtung spielt eine Schlüsselrolle im Motor. In modernen Diesel-Motoren sind mittlerweile Metalllagen-Dichtungen Standard. Der NKW PARTNER hat sich beim Dichttechnikspezialisten Elring umgehört – und umgesehen. von klaus kuss In modernen Diesel-Motoren haben Metalllagenlagen-Zylinderkopfdichtungen wie die „Metaloflex“ von Elring Klinger einen festen Platz. Als Schlüsselkomponenten tragen sie zu einem effizienten, sicheren und wirtschaftlichen Motorbetrieb bei. Eine Zylinderkopfdichtung (ZKD) hat zahlreiche Aufgaben zu erfüllen: Sie dichtet zwischen den Medien Brenngas, Kühlmittel und Öl zuverlässig ab und ist zugleich das Kraftübertragungsglied unTerschieDliche sickenforMen unD lagen Zu den besonderen Merkmalen von Metalllagen-Dichtungen gehören zum einen die unterschiedliche Sickenformen – es gibt Halb- oder Vollsicken – sowie verschiedene Blechlagen – es gibt Funktions- und Trägerlagen – sowie so genannte Stopper in verschiedenen Formen, die den Dichttechnikspezialisten von Elring Klinger zufolge eine optimale Abdichtung gewährleisten. Halbsicken beispielsweise erzeuzwischen Kurbelgehäuse und Zylinderkopf. Dadurch hat sie einen erheblichen Einfluss auf die Kraftverteilung innerhalb des gesamten Verspannungssystems und die dadurch verursachten elastischen Bauteilverformungen. Besonders bei sehr leistungsfähigen Dieselmotoren kann die Metalllagen-Zylinderkopfdichtung ihre technischen Stärken ausspielen. Anfang der 90er-Jahre hat der im schwäbischen Dettingen/Erms ansässige Dichttechnikspezialist Elring Klinger die „Metaloflex“- Zylinderkopfdichtung entwickelt. Diese Metalllagen-Zylinderkopfdichtungen aus gesickten, elastomerbeschichteten Federstahllagen sind je nach Anwendung ein- oder mehrlagig aufgebaut. Aufgrund seines modularen Aufbaus lässt sich dieses Dichtsystem individuell auf die spezifischen Anforderungen des Motors abstimmen – und gehört damit zu den am weitest verbreiteten bei modernen Motorenkonzepten. Der Weg zur DichTung Bei der Produktion einer Zylinderkopfdichtung ist trotz Automatisierung noch viel Handarbeit notwendig – etwa für die visuelle Kontrolle (li.). Der NKW PARTNER hat sich den Prozess bei Elring Klinger Schritt für Schritt angesehen. (Foto: Kuss) Die Finite-Elemente-Methode (FEM) ist das entscheidende Werkzeug bei der Konstruktion eine ZKD (Mitte), um den Dichtverband zu analysieren. Das Basisblech gelangt als Coil (Rolle) an die Stanze (re.), wo es erst präzisionsgerichtet... 10 2-2013
Motor Technik gen eine Zwei-Linien-Pressung und dichten entlang von Schraubenlöchern, Kühlflüssigkeits-und Motoröldurchtritten und umlaufend um die äußere Dichtungskontur ab. Vollsicken dagegen erzeugen am Brennraumumfang eine Drei-Linien-Pressung. Durch dieses elastische Dichtelement lassen sich den Experten von Elring Klinger zufolge sehr hohe Zünddrücke auch unter großen dynamischen Dichtspaltschwingungen abdichten. Als Funktionslagen werden elastomerbeschichtete Federstahllagen bezeichnet, welche mit elastischen Sicken versehen sind. Über so genannte Trägerlagen lässt sich die Dicke der Dichtung konstruktiv an die jeweiligen Einbaubedingungen anpassen. Ur-Dichtung: Eine „Metaloflex“-Zylinderkopfdichtung mit umgefalteter Stopperlage und Trägerblech der ersten Generation. Evolution: Laserverschweisste Stopper am Trägerblech kennzeichnen die zweite Generation der „Metaloflex“-Dichtfamilie. Generationswechsel: Bei der dritten „Metaloflex“-Generation kommen im Trägerblech Karostopper .... ..in den Funktionslagen dagegen gewundene Mäanderstopper (oben) oder Segmentstopper (unten) zum Einsatz. Über die ... ...Form der Stopper lassen sich die sowohl die Pressungsverteilung als auch die Dichtspaltschwingung beeinflussen. unTerschieDliche sTopperforMen Stopper spannen die Motorbauteile am Umfang des Brennraums elastisch vor und reduzieren dadurch die durch die Gaskraft verursachten Dichtspaltschwingungen. Gleichzeitig sollen sie ein unzulässiges Verformen der Vollsicken verhindern. Mit der Gestaltung der Stopper lassen sich den Dettinger Dichttechnikspezialisten zufolge gezielt sowohl die Pressungsverteilung als auch die Dichtspaltschwingung beeinflussen, da sie die Pressung und elastische Vorspannung des Dichtverbands erhöhen. Während die erste „Metaloflex“-Generation noch umgefalzte Stopperlagen besaß, wartet die zweite bereits mit laserverschweißten Stoppern auf. Für die nunmehr dritte Generation haben die Ingenieure von Elring Klinger geprägte Stopper entwickelt. Neben so genannten Mäanderstoppern, Segmentstoppern und Noppen, die in der Funktionslage zu finden sind, gibt es Karostopper in der Trägerlage. Bei ZKD-Designs, welche ohne Trägerblech auskommen, kommt der Noppenstopper, der in die Funktionslagen eingeprägt wird, zum Einsatz. Der Karostopper dagegen wird laut Elring Klinger bei ZKD-Designs mit Trägerblech bevorzugt. parTielle BeschichTung Um alle Bereiche der Dichtfläche optimal abdichten zu können, versehen die Dettinger ihre „Metaloflex“-Zylinderkopfdichtungenzusätzlich noch mit einer Elastomerbeschichtung auf den Federstahllagen. Mit einer funktionsangepassten, partiellen Elastomerschicht werden den schwäbischen Dichttechnikspezialiten zufolge nur die für die Abdichtung relevanten Oberflächenbereiche der ZKD beschichtet. Dadurch bestehe die Möglichkeit, die Beschichtung auf den frei im Kühlmittel oder Öl stehenden Dichtflächen auszusparen und damit ein Ablösen der Beschichtung unter kritischen Randbedingungen auszuschließen. Durch spezielle Auftragsverfahren lassen sich sowohl die Schichtdicke als auch das Beschichtungsmedium anwendungsbezogen ausführen. Die zum Teil unterschiedlichen Beschichtungsanforderungen im Brennraum- und im Flüssigkeitsbereich lassen sich den Experten zufolge damit gezielt erfüllen. So sind etwa bei großen Bauteilrauhigkeiten oder Poren für die Kühlmittel- und Ölabdichtung eine höhere Schichtdicke und ein weicheres Elastomer vorteilhaft. Andererseits sind zum sicheren Abdichten des Zünddrucks im Brennraumbereich nur niedrigere Schichtdicken erwünscht. Diese Zielkonflikte lassen sich durch ein selektives Beschichten lösen, so die Fachleute. Neuentwickelte Beschichtungen mit optimiertem Reibverhalten sollen zudem den betriebsbedingten Verschleiß an den Bauteilen verringern. Außerdem erfülle das anpassungsfähige Material schon bei Raumtemperatur die Anforderungen des Kaltlecktests sofort nach dem Einbau. Je nach Anwendungsfall kommen unterschiedliche Varianten der partiellen Beschichtung zum Einsatz. ◀ Bis eine Metalllagen-Zylinderkopfdichtung auf den Tresen des Teilehändlers oder in die Hände des Werkstattfachmanns gelangt, sind zahlreiche Produktionsschritte notwendig. Der NKW PARTNER hat sich beim Dichttechnikspezialisten Elring Klinger die Herstellung zeigen lassen. ... und dann die Dichtungskontur daraus ausgestanzt wird. Da Metalllagen-Zylinderkopfdichtungen modular aufgebaut sind, lassen sie sich individuell auf die spezifischen Anforderungen der Motorenentwickler anpassen. Über verschiedene, speziell aufeinander abgestimmte Oberflächenbearbeitungsverfahren (Sieben, Spritzen) gelangt die Elastomerbeschichtung vollautomatisch auf die mit Haftvermittler vorbehandelten Stahllagen. Bei der vollautomatischen Montage werden die einzelnen Lagen der Zylinderkopfdichtung zusammenfügt und miteinander vernietet. Jeder Fertigungsschritt erfolgt unter strengsten Qualitätsprüfungen und manuellen Sichtkontrollen. Auch das Zusammenstellen der Dichtungssätze – insbesondere für NKW – erfolgt aufgrund der zahlreichen Positionen meist von Hand. Ein spezielles Hologramm auf der Verpackung sichert die Originalität. (Fotos. Elring Klinger) 2-2013 11
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