Von Nicole Schuhmacher und Andreas Göttler, Reinz-Dichtungs-GmbH, Neu-Ulm

Aktuelle und zukünftige Nutzfahrzeugmotoren erfordern moderne Zylinderkopf-Dichtungskonzepte. Innovative Lösungen müssen individuelle Konstruktionen bei kostengünstigen Produktionsbedingungen bieten.

Moderne Nutzfahrzeugmotoren unterscheiden sich deutlich von früheren Generationen. Sechszylinder-Reihenmotoren mit einteiligen Zylinderköpfen sind heute Standard. Hinzu kommt eine steigende Variantenvielfalt. Reinz hat als Antwort auf diese Entwicklung die Prototypenfertigung und
Serienproduktion von Dichtungssystemen, Abschirmsystemen und Ventilhaubenmodulen frühzeitig an die Bedürfnisse der Nutzfahrzeughersteller ausgerichtet. Der Schwerpunkt der Aktivitäten liegt bei den Zylinderkopfdichtungen.

Langlebige Kleinserien

Zylinderkopfdichtungen für Nutzfahrzeuge zeigen einige besondere Spezifika im Vergleich zu Dichtungen für Pkw. Auf der einen Seite generieren die verschiedenen Anwendungsbereiche (von On- und Off-Highway über Marine und Baufahrzeuge bis hin zu Sondermaschinen) nur moderate Stückzahlen von 1 000 bis etwa 100 000 Einheiten. Auf der anderen Seite sind sie auf eine längere Lebensdauer mit einer Laufleistung von 1,5 Millionen Kilometer ausgelegt.

Neue Motoren für Nutzfahrzeuge müssen die vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte einhalten und gleichzeitig so wenig Kraftstoff wie möglich verbrauchen. Das ist in Zukunft durch Abgasnachbehandlung sowie innermotorisch durch hohe Abgas-Rückführungsraten und Verbrennungsdrücke von bis zu 250 bar möglich. Hohe Abgas-Rückführungsraten führen zu stark korrosiven Verbindungen in den Verbrennungsgasen, die korrosionsresistente Materialien für die Zylinderkopfdichtung zur Folge haben. Durch den größeren Hubraum pro Zylinder und höhere Verbrennungsdrücke sind zusätzlich sehr hohe Schraubenkräfte erforderlich, um durch ausreichende Flächenpressungen die verschiedenen Dichtfunktionen zu garantieren. Diese Anforderungen verlangen eine spezifische Auslegung der Dichtungen.

Dichtfunktionen einer Zylinderkopfdichtung

Die Zusammenarbeit von Motoren- und Dichtungshersteller ist ein wichtiger Faktor für die effiziente Entwicklung von Zylinderkopfdichtungen. Dabei werden im ersten Schritt die Eingangsgrößen für das Dichtungssystem bestimmt, um über die Auslegung der Dichtung eine seriennahe Prototypenfertigung mit dem Ziel einer kostengünstigen Serienfertigung zu realisieren. Das höhere Kraftniveau und die hohe Bauteildynamik erfordern im Vergleich zu Pkw-Motoren äußerst robuste Dichtungen. Bei Sechszylinder-Reihenmotoren mit einteiligen Zylinderköpfen treten zudem beachtliche thermische Schiebebewegungen auf. Eine gute Lösung sind Metall-Elastomer-Dichtungen (ME-Dichtungen), Mehrlagen-Stahl-Dichtungen (MLS-Dichtungen) oder eine Kombination aus beiden Bauarten.

Dabei werden je nach Anforderungsprofil (Druck, Medium, Oberflächen, Bauteilsteifigkeit) und Buchsenkonzept (Parent Bore, Top-Stop-Buchse, Mid/Bottom-Stop-Buchse) unterschiedliche Konstruktionselemente verwendet. Sie dienen alle dem Ziel, durch die Konzentration eines möglichst hohen Anteils der Schraubenkräfte auf die Brennräume eine optimale Gasabdichtung zu erreichen.

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Für die Abdichtung der Medienströme Öl und Kühlmittel kommen sowohl Sicken in Federstahllagen als auch Elastomere zum Einsatz. Elastomerprofile benötigen im Vergleich zu metallischen Sicken nur eine geringe Dichtpressung, so dass die Höhe der erforderlichen Schraubenkraft im Wesentlichen von der Brennraumabdichtung bestimmt wird. Durch diese erhöhte Konzentration der Schraubenkraft auf den Brennraum sind höhere Verbrennungsdrücke bei gleichen oder reduzierten Schraubenkräften möglich. Damit der Metall-Elastomer-Verbund optimal haftet und lange haltbar ist, sind die Elastomerprofile im Surface Moulding-Verfahren flächig aufgespritzt. Um höhere Profile mit mehr Arbeitsweg zu erreichen, wird im Edge Moulding-Verfahren angespritzt.

Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der seit 2000 erfolgreich bei Pkw-Motoren eingesetzten Wellen-Stopper® wird dieser inzwischen auch für Zylinderkopfdichtungen von Nutzfahrzeugen eingesetzt. Der Wellen-Stopper® besteht aus mehreren konzentrischen Einzelwellen, die in eine aktive Funktionslage aus Federstahlblech geprägt werden. Dadurch verknüpft er elastisches Verhalten mit einer sehr hohen Grundsteifigkeit, die sich individuell an die Umgebungsbedingungen von Dichtungen anpassen lässt. Zusätzlich ist eine Höhenprofilierung der Wellen möglich, um die Schraubenkräfte besser zu nutzen und die Flächenpressung gleichmäßiger zu verteilen.

Individuell, leistungsstark, kostengünstig. Die Nutzfahrzeughersteller fordern Motor-Dichtungssysteme, die auch in geringen Stückzahlen Qualität auf höchstem Niveau zu marktgerechten Preisen bieten. Diese Herausforderung ist nur mit Know-how in Kombination mit modernen Produktionsanlagen zu realisieren. Der Automobilzulieferer Reinz in Neu-Ulm verfügt über ausgewiesene Experten, Maschinen und Anlagen und produziert unter dem Markennamen VICTOR REINZ neben komplexen Dichtungssystemen, Abschirmsystemen und Ventilhaubenmodulen auch moderne Zylinderkopfdichtungen für Nutzfahrzeugmotoren.
Quelle: OEM & Lieferant Messeausgabe 2006

DIE AUTOREN
Andreas Göttler
Teamleiter Technologie Nutzfahrzeuge bei der Reinz-Dichtungs-GmbH.

Nicole Schuhmacher
Leiterin der Abteilung Kommunikation und Marketing bei der Reinz-Dichtungs-GmbH.

web: http://www.reinz.com
email: reinz.info@dana.com