Motorblock, Zylinderkopfdichtung
Zylinderkopfdichtung

Ausfallursache Zylinderkopfdichtung – nicht immer!

Die Zylinderkopfdichtung muss beständig sein gegen chemische Einflüsse von Verbrennungsgasen, Schmier- und Kühlmitteln. Bild: Guranti

Die Zylinderkopfdichtung (ZKD) gehört zu den am meisten beanspruchten Komponenten eines Pkw-Motors. Allerdings diagnostizieren die Werkstätten beispielsweise bei Überhitzungsschäden oftmals die ZKD als schadensverursachendes Teil, obwohl es viele andere Gründe gibt. Die Dichttechnikspezialisten von Elring Klinger geben Tipps, worauf der Kfz-Fachmann achten sollte, um eine Fehldiagnose zu vermeiden.

Eine wichtige Funktion nimmt bei fast jedem Verbrennungsmotor die Zylinderkopfdichtung (ZKD) ein. Die hoch technischen und komplexen Bauteile kommen in modernen Verbrennungsmotoren in vielen Varianten zum Einsatz. Als Schlüsselkomponenten tragen sie zu einem effizienten, sicheren und wirtschaftlichen Motorbetrieb bei. Zentrale Aufgaben sind, den Verbrennungsraum auch bei hohen Zylinderdrücken abzudichten sowie den Transport von Motoröl und Kühlwasser zwischen Gehäuse und Kopf abzusichern.

Aufgaben

Zwischen dem Zylinderkopf und dem Kurbelgehäuse dient die ZKD zur Kraft übertragung. Daraus resultiert ein er heblicher Einfluss auf die Kraftverteilung innerhalb des gesamten Verspannungssystems und die dadurch verursachten elastischen Bauteilverformungen. Dabei muss die Dichtung sowohl hohen mechanischen als auch thermischen Belastungen standhalten. Sie soll unter anderem Temperaturen von mehr als 300 °C und eine hohe Flächenpressung aushalten können. Zudem muss die ZKD flexibel und elastisch sowie gegen Flüssigkeiten, Schmierstoffe und Korrosion beständig sein.

Zur Abdichtung des Brennraums kommen laut Elring Klinger in der Regel Metallwerkstoffe zum Einsatz, die sich durch plastische Verformungen der Oberfläche anpassen und durch ihre Elastizität die Dichtheit herstellen. Für die Flüssigkanäle werden Elastomerdichtungen oder geometrisch optimierte Metalllagen-Stahldichtungen eingesetzt.

Zylinderkopfdichtungen, Elring Klinger
Die Zylinderkopfdichtungen von Elring Klinger gibt es in den Bauarten Metaloflex, Metall-Elastomer und Metall-Weichstoff. Bild: Guranti

Schadensursachen

Bei Motorausfällen aufgrund von Öl- und Wasserundichtigkeiten oder wegen einer Überhitzung diagnostiziert der Kfz-Fachmann häufig die Zylinderkopfdichtung als schadensverursachendes Bauteil. Allerdings laut dem Dettinger Dichtungsspezialisten zu Unrecht. Denn die ZKD ist meist nur das letzte Glied in der Kette, an dem der Schaden zutage tritt. Nämlich dann, wenn sie ihre Aufgabe abzudichten nicht mehr hundertprozentig erfüllen kann. Auch bei einem Dichtungs schaden kurz nach einem Wechsel der Kopfdichtung ist es nach Meinung der Experten eher unwahrscheinlich, dass eine fehlerhafte Dichtung schuld an einem Motorschaden ist.

Anforderungen der ZKD
Die verschiedenen Zylinderkopfdichtungen haben definierte Anforderungen an die Oberflächen von Zylinderkopf und -block. Diese Flächengenauigkeit kann der Mechatroniker mit normalen Werkstattmitteln normalerweise nicht erstellen. Bild: Elring Klinger

Wie aber erkennt der Kfz-Mechatroniker die Anzeichen einer defekten ZKD?

    • Kühlwasser im Motoröl: Kühlwasser kann in das Kurbelgehäuse des Motors gelangen und sich mit dem Motoröl vermischen. Dadurch reduziert sich die Schmierfähigkeit des Öls. In der Folge nimmt die Reibung zu und die Bauteile nutzen sich möglicherweise stärker ab. Jetzt droht unter anderem die Gefahr eines Lagerschadens. Gelber Schlamm am Öleinfüllstutzen ist für den Mechatroniker normalerweise ein wichtiger Hinweis auf eine eventuelle defekte Zylinderkopfdichtung.
    • Öl im Kühlwasser: Motoröl kann in den Kühlwasserkreislauf gelangen. Die bräunlichen Ablagerungen verstopfen die Kühlwasserkanäle und -leitungen sowie den Kühler.
    • Qualm aus dem Auspuff: Gelangt Kühlwasser in den Verbrennungsraum, entsteht während der Verbrennung weißer Dampf. Dies erhöht die Korrosion in Brennraum und Abgastrakt. Kommt zu viel Wasser in den Verbrennungsraum, kann es zu einem sogenannten Wasserschlag kommen. Die Folgen sind ein gravierender Motorschaden. Ebenso können  Verbrennungsgase in das Kühlwasser einströmen. Der hohe Gasgehalt im Kühlwasser setzt die Kühlleistung herab. Zudem reduzieren die Verbrennungsgase im Kühler die Leistung weiter.
Metaloflex-Metalllagen
Eine Metaloflex-Metalllagen-Zylinderkopfdichtung der dritten Generation mit Segmentstopper in Funktionslage. Bild: Elring Klinger

Bemängelt der Werkstattkunde Unregelmäßigkeiten während des Motorlaufs, unter anderem schlechtes Kaltstartverhalten, Motor läuft beim Kaltstart nicht auf allen Zylindern, Leistungsverlust oder Kühlwassertemperatur im roten Bereich sowie Öl im Kühlwasser, sollte der Werkstattfachmann sofort entsprechende Maßnahmen ergreifen. In diesem Stadium besteht noch die Möglichkeit, einen größeren Motorschaden zu verhindern. Wichtig: Zuerst die tatsächliche Ursache ermitteln, bevor die Reparatur ausgeführt wird.

Herausforderungen

Ständig steigende Anforderungen bezüglich Verbrauchs- und Emissionsreduzierungen führen zu gewichtsoptimierten Motorkonstruktionen und speziell beim Dieselmotor zu höheren Zünddrücken. Durch die Verwendung von Leichtmetall und geringeren Guss-Wandstärken ist mit einer weiteren Verringerung der Bauteilsteifigkeit zu rechnen. Um die für das Abgasverhalten schädlichen Zylinderverzüge weiter abzusenken, wird von den Fahrzeug- und Dichtungsherstellern eine Reduzierung der Schraubkräfte angestrebt. Dadurch ergeben sich allerdings für die ZKD erheblich höhere Belastungen in Form von dynamischen Dichtspaltschwingungen.

Durch den Zünddruck je Zündvorgang verformt sich der Dichtspalt um 2 bis 10 µm in Hubrichtung. Durch Biegen des Zylinderkopfs und des Zylinderrohrs ergeben sich je nach Schraubenanordnung und Dimensionierung auch Schiebebewegungen in Querrichtung. Deshalb muss die Brennraumabdichtung in der Lage sein, bei allen Betriebsbedingungen die erforderliche Mindestdichtkraft dauerhaft zu gewährleisten. Daraus ergeben sich die hohen Anforderungen an die Dauerhaltbarkeit des verwendeten Abdichtsystems.

In den heutigen Fahrzeugmodellen setzen die Hersteller aus Gewichtsgründen und um Kraftstoff zu sparen vermehrt Bauteile aus Aluminium ein. Diese Entwicklung macht auch vor dem Motorblock nicht halt. Durch den Einsatz des Leichtmetalls kann der Autobauer bei einigen Bauteilen im Vergleich zu Grauguss Gewichtseinsparungen von über 50 Prozent erzielen. Zudem besitzt Aluminium eine vierfach höhere Wärmeleitfähigkeit; es verbessert somit den Wärmehaushalt des Motors und reduziert die Kühlwassermenge.

Dichtungstechnologie

Dichtungen sind im Verbrennungsmotor in vielen Varianten und Werkstoffen vertreten. Sie garantieren eine sichere Abdichtung der verschiedenen Medien wie zum Beispiel Öl, Kühlmittel, Kraftstoffe oder Brenngase sowohl nach außen als auch gegeneinander. Außerdem wirken sie als Kraftübertragungselement zwischen Motorkomponenten und können, je nach Anwendungsstelle, darüber hinaus noch Zusatzfunktionen übernehmen.

Bei Zylinderkopfdichtungen für Pkw- Motoren dominieren heute Metalllagen- Zylinderkopfdichtungen aus gesickten, elastomerbeschichteten Federstahllagen. Des Weiteren kommen auch noch Metall-Weichstoff-Zylinderkopfdichtungen, bestehend aus einem metallischen Träger mit beidseitig aufgebrachtem Weichstoff zum Einsatz. Aufgrund ihrer positiven Eigenschaften werden in hochbelasteten Otto- und Dieselmotoren vermehrt Mehrlagen-Zylinderkopfdichtungen aus Stahlblech verwendet. Vorteile der Mehrlagen-Metalldichtung sind:

    • hohe Temperaturbeständigkeit,
    • korrosionsbeständig,
    • dauerelastisch,
    • verbesserte Wärmeleitfähigkeit,
    • hohe mechanische Festigkeit.

Besonders bei Dieselmotoren und Hochleistungs-Ottomotoren mit Direkteinspritzung zeigt sich die technische Überlegenheit:

    • Metalltechnologie,
    • elastische Abdichtung mit Sicken für die Makroabdichtung,
    • Elastomerbeschichtung für die Mikroabdichtung,
    • hohe thermische Standfestigkeit,
    • Kompensation von hohen dynamischen Dichtspaltschwingungen,
    • variable Einbaudicken, Schadraumminimierung.

Allerdings steht den Vorteilen ein hoher Anspruch an die Oberflächengüte und Sauberkeit der Dichtflächen von Zylinderkopf und Kurbelgehäuse gegenüber.

Mit der Entwicklung geprägter Stopper hat Elring Klinger die dritte Generation der Metaloflex-Metalllagen-Zylinderkopfdichtungen in den Markt eingeführt. Neben Mäander- und Karostopper steht dem Kfz-Fachmann jetzt mit dem neuen Segmentstopper eine optimale Lösung für jede Einbaudicke und Anwendung zur Verfügung. Die Besonderheit der Dichtungen zeigt sich in ihrer Bauart: gesickte, elastomerbeschichtete Federstahl einlagen, je nach Anwendung ein- oder mehrlagig. Durch den modularen Aufbau mit den Funktionselementen Beschichtung, Sicke und Stopper lässt sich die ZKD individuell und zielsicher auf die spezifischen Anforderungen des Motors abstimmen.

Varianten der ZKD
Je nach Anwendungen und Anforderungen kommen bei den Dichtungen unterschiedliche Varianten der partiellen Beschichtung zum Einsatz. Bild: Elring Klinger

Am Umfang des Brennraums werden die Motorbauteile durch die Stopper elastisch vorgespannt. Damit erreichen die Dettinger eine Reduzierung der durch die Gaskraft verursachten Dichtspaltschwingungen. Halbsicken erzeugen eine Zwei-Linien-Pressung. Sie dichten entlang der Kühlflüssigkeits- und Motoröldurchtritte, entlang der Schraubenlöcher und umlaufend um die äußere Dichtungskontur ab. Die Vollsicken erzeugen am Brennraumumfang eine Drei-Linien-Pressung. Durch dieses elastische Dichtungselement lassen sich sehr hohe Zünddrücke abdichten – auch unter großen dynamischen Dichtspaltschwingungen.

Dieses System bietet nicht nur eine höhere Wirtschaftlichkeit, sondern auch weitere entscheidende Vorteile für moderne Motorkonstruktionen: Durch die topografische Gestaltung der Dichtung wird die zur Verfügung stehende Schraubenkraft effizient eingesetzt. Dadurch gelingt es dem Dichtungsspezialisten, die Bauteilverzüge in Zylinderkopf und -block weiter zu reduzieren und gleichzeitig das Abdichtungspotenzial der Dichtung trotz zunehmend kritischer Randbedingungen nochmals zu erhöhen.

Auf die Oberfläche kommt es an

Einen wesentlichen Einfluss auf die Dichtfunktion hat die Oberflächenbeschaffenheit von Zylinderkopf und Motorblock. Denn die verschiedenen Zylinderkopfdichtungen, wie Metallweichstoff, Metalllagen sowie Metallelastomer, haben definierte Anforderungen an die Bauteil oberflächen. Die Oberflächen von Zylinderkopf und -block sind sehr fein zu bearbeiten und dürfen keine Welligkeiten aufweisen. Kritische Stellen sind bei der Montage die Übergänge von Bauteil zu Bauteil, beispielsweise wenn ein Steuergehäuse angeflanscht ist. Hier muss der Mechatroniker sehr sorgfältig arbeiten, damit an der Trennstelle keine Stufen oder Verzüge vorhanden sind, die eine kraftschlüssige Dichtverbindung verhindern.

Metallische Einfassung ZKD
Metallische Einfassungen dichten bei einer Metall-Weichstoff-Zylinderkopfdichtung die Brennräume ab. Bild: Elring Klinger

Für den Werkstattpraktiker ist es deshalb wichtig zu wissen, wie eine Metall lagen-Zylinderkopfdichtung fachgerecht auszutauschen ist. Er muss dabei unbedingt die vorgeschriebenen Fahrzeughersteller-Montagerichtlinien beachten. Hierzu gehören im Wesentlichen:

    • sorgfältige Reinigung der Bauteile,
    • Bauteileoberflächen auf Ebenheit (längs und quer) mittels Haarlineal überprüfen und
    • Eingrabungen beseitigen.

Ebenso muss der Kfz-Fachmann die Oberflächenrauigkeit von Zylinderkopf und -block überprüfen. Denn die korrekte Funktion der Dichtung hängt unter anderem von der vorgeschriebenen Rauigkeit der Dichtflächen ab. Die Dichtfläche muss eine definierte Topographie (Rautiefe) aufweisen, mit engen Spitzen aber ohne flache Bereiche. Mit normalen Werkstattmitteln, wie Schleifpapier oder ähnlichem, ist dies allerdings nicht zu erreichen. Sind bereits sichtbare oder mittels Daumennagelprobe erfühlbare Eingrabungen festzustellen, sollte die Planbearbeitung der Bauteile nur von einem Motoreninstandsetzer ausgeführt werden.

Zusammengefasst

Die Anforderungen künftiger Motorkonstruktionen an die Zylinderkopfdichtung sind im Wesentlichen durch höhere Spitzendrücke, höhere thermische Beanspruchung, reduzierte Bauteilsteifigkeit und dem Einsatz neuer Werkstoffe im Motorenbau gekennzeichnet. Deshalb sollte der Kfz-Mechatroniker bei einer Undichtigkeit am Block oder Zylinderkopf nicht nur die Zylinderkopfdichtung austauschen. Vielmehr muss er die Ursache der Undichtigkeit lokalisieren und zudem die Motorperipherie genau überprüfen, die eventuell zum beanstandeten Schaden führte.