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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Schutzschild, mit mindestens
zwei Lagen, der zur thermischen und akustischen Abschirmung von
Bauteilen einer Verbrennungskraftmaschine, wie zum Beispiel Turboladern,
Katalysatoren, Abgaskrümmern
usw. dient.
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Einige
Bauteile in Kraftfahrzeugen, aber auch in vergleichbaren Maschinen,
wie zum Beispiel Bauteile in Auspuffanlagen, wie Katalysatoren,
Auspuffkrümmer,
Turbolader und dergleichen, können
im Betrieb sehr heiß werden.
Diese hohen Temperaturen können
andere Bauteile, wie beispielsweise Kunststoffschläuche, elektrische
Leitungen, Motorelektronik beeinträchtigen. Deshalb ist es unerlässlich, diese
temperaturempfindlichen Bauteile durch thermische Abschirmung vor
zu hohen Temperaturen zu schützen.
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Eine
weitere Anwendung einer thermischen Abschirmung kann jedoch auch
darin bestehen, ein Bauteil eines Kraftfahrzeugs, z. B. einen Abgaskatalysator
durch thermische Abschirmung auf einer bestimmten Mindesttemperatur
zu halten bzw. ein schnelleres Erreichen der Betriebstemperatur
zu erhalten. Im Falle eines Abgaskatalysator ist z. B. durch ein
schnelleres Erreichen einer Mindesttemperatur eine einwandfreiere
und bestmögliche
Funktion des Katalysators möglich,
wodurch die Abgaswerte des entsprechenden Fahrzeugs verbessert werden
können.
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Um
eine thermische Abschirmung zu erreichen, gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Durch Verwendung von wärmedämmenden
Materialien in einem Schutzschild, wie zum Beispiel schaumartige Materialien
oder Faserwerkstoffe, die wegen ihres vergleichsweise hohen Gehalts
an Luft die Wärme schlecht
leiten, kann beispielsweise einen thermische Abschirmung gewährleistet
werden.
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Eine
weitere oder zusätzliche
Möglichkeit besteht
darin, die Wärmestrahlung
von heißen
Bauteilen an der Abschirmung zu reflektieren, was etwa durch metallische
Beschichtungen erreicht werden kann. Eine solche reflektierende
Abschirmung kann am einfachsten mit einem massiven Blech erreicht werden.
Bei diesen luft- und somit schallundurchlässigen Blechen wird jedoch
der Schall im Wesentlichen vollständig reflektiert, was im ungünstigsten
Fall eine Resonanz hervorrufen kann, die sich in Dröhnen oder ähnlichen
ungewünschten
akustischen Effekten äußert.
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Heutzutage
werden hauptsächlich
mehrlagige Sandwichbauteile zur Wärmeabschirmung heißer Bauteile
in Fahrzeugen verwendet.
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Um
den immer strenger werdenden Vorschriften hinsichtlich des Außenschallpegels
von Fahrzeugen zu genügen,
sind zusätzlich
akustische Abschirmungen in Fahrzeugen notwendig. Um den durch auftretende
Schwingungen entstehenden Schall wirkungsvoll abzuschirmen, sollten
solche Abschirmungen die Geräusche
möglichst
absorbieren, d. h. nicht einfach reflektieren. Eine solche akustische
Abschirmung kann durch spezielle Schall schluckende Oberflächenstrukturen
erhalten werden. Dies ist aber in der Regel schwierig herzustellen
und/oder benötigt
gewisse Mindestdicken der entsprechenden Lagen, was bei den teilweise
beengten Verhältnissen in
modernen Fahrzeugen nachteilig ist.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur akustischen Abschirmung besteht darin, ein Material mit durchlässigen Poren
zu verwenden. Innerhalb dieser Poren kann die mechanische Energie
von Schallwellen durch Reibung in Wärme umgesetzt werden, wodurch
eine akustische Abschirmung erhalten wird. Durch den Gehalt an Luft
in den Poren wird überdies auch
eine thermische Isolation erreicht.
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Da
die Wärme
produzierenden Bauteile in Fahrzeugen oft auch einen hohen Geräuschpegel verursachen,
ist es daher vorteilhaft, Abschirmungen bereitzustellen, die sowohl
gute thermische, als auch gute akustische Abschirmeigenschaften
aufweisen. Darüber
hinaus muss eine derartige Abschirmung auch noch weitere mechanische
Eigenschaften haben. Darunter fällt
die Stabilität
gegenüber
den beim Betrieb eines Fahrzeugs auftretenden mechanischen Belastungen,
etwa die Dauerfestigkeit der Befestigungspunkte. Weiterhin soll
der Einbau einer solchen Abschirmung möglichst einfach und sicher
sein, d. h., es sollten keine scharfen Kanten vorhanden sein, die Verletzungen
von Personen oder Beschädigungen an
anderen Fahrzeugteilen verursachen können.
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Eine
aus mindestens zwei Lagen bestehende Abschirmung sollte ferner möglichst
einfach und mit wenigen Schritten herstellbar sein.
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Daher
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Schutzschild bereitzustellen,
der sowohl gute thermische, als auch gute akustische Abschirmeigenschaften
und eine gute mechanische Stabilität aufweist und einfach hergestellt,
sowie gehandhabt werden kann.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Schutzschild zur
thermischen und akustischen Abschirmung eines Bauteils einer Verbrennungskraftmaschine
bereitgestellt. Der Schutzschild umfasst eine dem Bauteil abgewandte Außenlage
und eine dem Bauteil zugewandte Innenlage. Die Außenlage
wie auch die Innenlage werden als Lochbleche mit Perforierungen
bzw. als mikroperforierte Lochbleche ausgeführt. Die Außenlage wird als Glattblech
ausgeführt,
die Innenlage wird mit einer Noppenstruktur versehen und die aufeinanderliegenden
Lagen werden durch Umbördeln
des Randbereichs zusammengehalten. Der Lochdurchmesser zumindest
einiger Perforierungen der Lochbleche beträgt 0,2 bis 0,5 mm.
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Diese
Anordnung bietet eine wirksame akustische und thermische Abschirmung,
die eine gute mechanische Stabilität aufweist. Durch die Noppung der
Innenlage des Schutzschilds wird gewährleistet, dass die Löcher Schallwellen
aus unterschiedlichen Richtungen optimal aufnehmen können, da
diese jeweils im Wesentlichen senkrecht auf die Löcher der Innenlage
treffen können.
Diese Bauweise ist einfach herzustellen und kann ohne die Gefahr
von Verletzungen von Personen bzw. Beschädigungen von anderen Fahrzeugteilen
gehandhabt werden. Durch die umlaufende Umbördelung des Lagenverbundes
bekommt das fertig umformte Bauteil eine hohe Eigenfestigkeit und
erzielt so eine höhere
Dauerhaltbarkeit im Motorbetrieb. Außerdem wird so die Eigendämpfung des
Bauteils noch erhöht
und der umbördelte Schutzschild
kann in Bereichen mit höheren
Temperaturen verwendet werden als z. B. Lagen, die durch Klebepunkte
miteinander verbunden sind.
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Der
Durchmesser der Löcher
in der Lochblende kann den jeweiligen Frequenzbereichen der Geräusche angepasst
werden. Er beträgt
jedoch zumindest teilweise zwischen 0,2 bis 0,5 mm. Es hat sich
gezeigt, dass bei Verwendung dieser Durchmesser die höchste Schallabsorption
im gewünschten Frequenzbereich
von 200 bis 2000 Hz erzielt wird. Damit können Geräusche von den meisten Lärmquellen
wirksam abgeschirmt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Außenlage
und Innenlage unterschiedliche Materialdicken auf. Durch die unterschiedlichen
Materialdicken kann auf verschiedene Frequenzbereiche der Geräusche bzw.
der Wärmestrahlung
eingegangen werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
betragen die jeweilige Einzeldicke der Außenlage und der Innenlage zwischen
0,2 und 0,8 mm.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
hat die Innenlage eine Dicke über
der Noppung von 2 bis 3 mm.
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Die
Perforierungen der Lochbleche ist zumindest teilweise als regelmäßiges Lochbild
oder als unregelmäßiges Lochbild
ausgeführt.
Es sind jedoch auch Ausführungsformen
möglich,
bei denen die Perforierungen entweder der Außenlage oder die Innenlage
zumindest teilweise als regelmäßiges Lochbild ausgeführt ist
und die jeweils andere Lage zumindest teilweise als unregelmäßiges Lochbild
ausgeführt
ist. Die beiden Lagen können
somit je nach abzuschirmendem Frequenzbereich und nach gegebenen
Anwendungsbereichen individuell ausgelegt werden.
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Zumindest
eine der beiden Lagen sollte aus Aluminium bestehen oder mit einer
Aluminiumbeschichtung versehen sein. In einer bevorzugten Ausführungsform
bestehen sowohl die Außenlage
als auch die Innenlage aus Aluminium. Dies führt zu einer besseren Reflexion
der Wärmestrahlung
und zu einer besseren Korrosionsbeständigkeit.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird eine oder beide der Lagen mit Aluminium beschichtet. Insbesondere
die Lagen, die nicht aus Aluminium bestehen. Durch die zusätzliche
Beschichtung der Blechlagen wird die Reflexion der Wärmestrahlung
erhöht
und die Abschirmwirkung verbessert.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
besteht zumindest eine der beiden Lagen aus Edelstahl, wobei dann
auf die Aluminiumbeschichtung verzichtet werden kann. Durch Verwendung
von temperaturbeständigen
Materialien der Einzellagen, wie Aluminium oder Edelstahl, ist eine
direkte Verschraubung auf den heißen Motorbauteilen wie Turbolader,
Krümmer,
Katalysator, Schalldämpfer,
etc. möglich.
Alle bisher bekannten akustischen und thermisch wirksamen Abschirmungen
können
nur auf kalten Fahrzeugbauteilen wie z. B. Karosserie, Hauben, Kunststoffteilen,
etc. verbaut werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist zwischen der Außenlage
und der Innenlage noch mindestens eine Zwischenlage angeordnet.
Durch diese Zwischenlagen kann noch besser auf den abzuschirmenden
Frequenzbereich bzw. die Lautstärke der
Schallwellen eingegangen werden. Als Zwischenlagen bieten sich Folien
an, die als Membran funktionieren, oder Fasergewirk.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind im Randbereich Befestigungsmittel für die Anbringung des Schutzschildes
vorgesehen. Der Randbereich ist besonders gut geeignet, um hierin
solche Befestigungsmittel vorzusehen, aufgrund der guten Stabilität und Dauerhaltbarkeit
im umfalzten Bereich.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
detaillierter erläutert
werden, wobei
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1 eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Querschnitt zeigt;
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2 eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Querschnitt zeigt.
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In 1 ist
eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schutzschilds
in einer Querschnittsansicht gezeigt, der als Abschirmung eines
Bauteils 8 einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Das
Bauteil 8 kann beispielsweise ein Turbolader, Katalysator
oder anderes Bauteil sein, das im Betrieb heiß wird, also eine Wärmequelle
darstellt. Mit der Wärmeabgabe
ist häufig
auch eine Schallabstrahlung verbunden, wie es etwa bei Turboladern
der Fall ist.
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Dem
Bauteil bzw. der Wärme-
und Schallquelle 8 zugewandt befindet sich eine Innenlage 2. Diese
Innenlage 2 besteht aus einem Lochblech mit Perforierungen 22 und
weist eine genoppte Struktur auf. Dadurch ist gewährleistet,
dass Wärmestrahlung bzw.
Schallwellen aus verschiedenen Richtungen optimal abgeschirmt werden
können.
Der Lochdurchmesser der Perforierungen 22 der Innenlage
beträgt zwischen
0,2 und 0,5 mm. Dadurch wird die höchste Schallabsorption im gewünschten
Frequenzbereich von 200 bis 2000 Hz erzielt. Der Abstand der Löcher kann
sowohl regelmäßig als
auch unregelmäßig ausgeführt sein,
je nach Anwendungsbereich. Die Innenlage 2 kann entweder
aus Aluminium oder Edelstahl bestehen oder ist mit Aluminium beschichtet,
zur besseren Reflexion der Wärmestrahlen
und zur Korrosionsbeständigkeit.
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Auf
der Seite der Innenlage 2, die dem Bauteil 8 abgewandt
ist, befindet sich eine Außenlage 4. Die
Außenlage 4 besteht
auch aus einem Lochblech mit Perforierungen 20 mit einem
Lochdurchmesser zwischen 0,2 und 0,5 mm zur bestmöglichen
Schallabsorption in Frequenzbereich von 200 bis 2000 Hz. Die Außenlage
ist als ein glattes Blech ausgeführt. Zur
besseren Reflexion der Wärmestrahlung
und Korrosionsbeständigkeit
sollte die Außenlage 4 aus Aluminium
bestehen oder einen Aluminiumbeschichtung haben. Eine Außenlage 4 aus
Edelstahl benötigt hier
keine Beschichtung.
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Die
Außenlage 4 und
die Innenlage 2 sind in ihrem Randbereich 10 (durch
den gestrichelten Kreis angedeutet) beide umbördelt bzw. umfalzt. Dies bewirkt
einen guten Zusammenhalt, eine hohe Eigenfestigkeit und erzielt
so eine hohe Dauerhaltbarkeit im Motorbetrieb. Des Weiteren wird
eine Scharfkantigkeit und somit Verletzungsgefahr vor allem beim Montieren verhindert.
Es sind jedoch auch Ausführungsformen
denkbar bei denen eine der Lagen um die andere Lage umgebördelt bzw.
umgefalzt wird. Dies wird zum Beispiel nötig, wenn die Platzverhältnisse
im Motorraum nur eine bestimmte Gesamtdicke des Schutzschildes zulassen.
In dem Randbereich können
auch in einfacher Weise Befestigungsmittel vorgesehen werden (nicht
gezeigt), die eine sichere Befestigung des Schutzschildes ermöglichen
und keine Tendenz zeigen, im Dauerbetrieb auszureißen. Solche
Befestigungsmittel können
etwa Bohrungen für
Schrauben, Nieten oder dergleichen sein, die im Randbereich vorgesehen
sind. Im weiteren Fertigungsprozess wird der gebördelte Mehrlagenverbund dreidimensional
zu einem Abschirmbauteil verformt. Dies bedeutet, dass das Schutzschild
gemäß der jeweiligen
Form des wärme-
bzw. schalaussendenden Bauteils oder entsprechend der Platzverhältnisse
im Motorraum angepasst werden kann.
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Der
erfindungsgemäße Schutzschild
besitzt eine doppelte Abschirmwirkung gegen Wärme- und Schallabstrahlung. Dabei ist anzumerken,
dass für Wärmestrahlung
eine andere Art der Abschirmung gewünscht ist als für Schall.
Während
es bei der Wärmestrahlung
wünschenswert
ist, diese in einem möglichst
großen
Ausmaß zu
reflektieren, d. h. an die Umwelt abzugeben, ist bei Schall genau
der gegenteilige Effekt erwünscht.
Schallwellen sollen nicht reflektiert werden, was die Außengeräusche des
Fahrzeugs erhöhen
würde und
auch in ungünstigen
Fällen
zu Resonanzen („Dröhnen") führen kann,
sondern stattdessen möglichst
vollständig
absorbiert werden.
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Einerseits
werden in den mikroperforierten Lagen 2 und 4 (mechanische)
Schallwellen durch Reibung in Wärme
umgewandelt, andererseits wird auch durch den nicht durchlässigen Anteil
der Fläche der
Lagen 2 und 4 (elektromagnetische) Wärmestrahlung
zu einem gewissen Grad reflektiert. Dieser Effekt kann durch geeignete
Beschichtung noch verstärkt
werden.
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Durch
den besonderen Durchmesser der Perforierungen 20, 22 der
Lochbleche und den Abstand zwischen diesen kann die Wirksamkeit
der Abschirmung für
bestimmte Frequenzbereiche angepasst werden. Kleine Lochdurchmesser
z. B. verschieben die Frequenzabsorptionskurve hin zu niedrigeren
Frequenzen und umgekehrt. Dies ist vorteilhaft, da je nach abzuschirmendem
Bauteil ein spezifischer Frequenzbereich abgedeckt werden kann.
So treten beispielsweise bei Turboladern aufgrund deren hoher Drehzahl
eher hohe Frequenzen auf („Pfeifen"), während andere
Abschnitte der Auspuffanlage vergleichsweise niedrigere Frequenzen
erzeugen.
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In 2 ist
eine alternative Ausführungsform des
Schutzschildes von 1 gezeigt. Hier ist eine zusätzliche
Zwischenlage 6 zwischen der genoppten, dem Bauteil 8 zugewandten
Innenlage 2 und der glatten Außenlage 4 angeordnet.
Diese Zwischenlage kann aus einer dünnen Folie, die als Membran
wirkt oder einem Fasergewirk bestehen. Dadurch kann je nach Frequenzbereich
die Schallabsorption der erfindungsgemäßen Abschirmung weiter verbessert
werden. Die Innen- und die Außenlage
sind wieder als Lochbleche mit Perforierungen 20, 22 ausgeführt, die einen
Lochdurchmesser zwischen 0,2 und 0,5 mm aufweisen.
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Auch
in dieser Ausführungsform
sind die Außenlage 4 und
die Innenlage 2 in ihrem Randbereich 10 (durch
den gestrichelten Kreis angedeutet) beide umbördelt bzw. umfalzt. Die Zwischenlage 4 endet vor
der Umbördelung.
Diese dient auch in diesem Fall einer besseren Zusammenhalt, einer
hohen Eigenfestigkeit und erzielt so eine hohe Dauerhaltbarkeit
im Motorbetrieb. Des Weiteren wird eine Scharfkantigkeit und somit
Verletzungsgefahr vor allem beim Montieren verhindert. Es sind jedoch
auch Ausführungsformen
denkbar bei denen entweder die Außenlage oder die Innenlage
um die anderen Lagen umgebördelt
bzw. umgefalzt wird. Außerdem
können alle
drei Lagen aufeinander umbördelt
werden.