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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 eine 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. In
DE 10253832 A1 wird ein schallisolierender Hitzeschutzschild offenbart, der einen Träger aus einem mikroperforierten Aluminiumblech, eine Schallabsorptionsschicht aus Aluminiumgewirke und eine Wärmeabschirmung aus Aluminiumfolie umfasst.
DE 19633839 C2 zeigt ein geräuschdämpfendes Abschirmbauteil, das aus gelochten Flachmaterialien besteht, zwischen denen ein Metallfasergewirk angeordnet ist.
EP 0454949 A2 offenbart ein Luftschall absorbierendes Formteil, das auf seiner zur Schallquelle gerichteten Oberfläche akustische Resonatoren enthält. Die Wandungen und die Fläche des Formteils sind als Plattenabsorber ausgelegt.
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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.