DE102011120347A1

DE102011120347A1 - "Ladeluftleitung mit Hitzeschutzsystem für Verbrennungskraftmaschinen"

Info

Publication number: DE102011120347A1
Application number: DE102011120347A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mehrschichtig aufgebaute schlauchförmige Ladeluftleitung, deren Innenschicht zum Zwecke der Thermoisolierung und Schalldämmung aus einem geschäumten Kunststoffmaterial besteht. Die Kunststoffschichten werden in einem CoEx-Verfahren übereinandergelegt und miteinander zum Vorformling verbunden, welcher durch sich anschließendes Blasformen zur Ladeluftleitung für den Transport eines heißen Fluids ausgeformt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrschichtig aufgebaute, schlauchförmige Ladeluftleitung aus Kunststoff für Verbrennungskraftmaschinen mit Abgasturbolader.
Die Ladeluftleitung ist mit einem Hitzeschutzsystem ausgestattet und dient der Führung der aus dem Lader austretenden heißen Ladeluft zu einem Ladeluftkühler bzw. dem Verbrenungsmotor. Infolge der Verdichtung der dem Motor zugeführten Luft durch den Lader und dem dabei erzielten höheren Druck lässt sich dessen Leistung erheblich steigern. Allerdings sind einer solchen Leistungssteigerung und damit der Abgabe eines zusätzlichen Drehmomentes schon wegen der dabei auftretenden höheren mechanischen und thermischen Belastung einzelner Baugruppen des Motors Grenzen auferlegt. Insbesondere sind die zur Führung der Ladeluft benötigten Ladeluftleitungen für den Turbolader beträchtlichen Mehrbeanspruchungen durch erhöhte Temperaturen, Drücke bzw. Druckschwankungen ausgesetzt. Um den schlauchförmigen Leitungen eine genügende Stabilität zu verleihen und so deren Verformung oder Zerstörung zu verhindern, sind unterschiedliche technische Lösungen vorgeschlagen oder zur Anwendung gelangt, mit denen des Weiteren auch den im Turbolader verursachten Schallemissionen begegnet werden soll.
Ladeluftleitungen werden üblicherweise aus Metall oder einem flexiblen Material hergestellt, beispielsweise aus einem elastomeren Kunststoff oder auch aus Gummi. Kunststoffmaterialien sind zwar leichter als Metalle, besitzen aber eine geringere Festigkeit. Deshalb besitzen handelsübliche Schlauchleitungen vielfach einen mehrschichtigen Aufbau mit einer extrudierten Innenschicht aus einem entsprechenden Kunststoffmaterial, in das ein Gewebe eingelegt ist, und einer ebenfalls aus Kunststoff bestehenden und die Innenschicht umfassenden Außenschicht, die nach der beispielsweise in DE 19960427 C1 beschriebenen Verfahrensweise ebenfalls aufextrudiert sein kann. Diese Art der Herstellung soll mit den in JP 08035458 und JP 05215025 offenbarten Verfahren noch vereinfacht werden, indem die Innenschicht der Ladeluftleitung durch Blasformen und die darüber liegende Außenschicht im Spritzgussverfahren hergestellt wird. Die hierbei benutzten Fertigungsmethoden erfordern aber immer noch einen beträchtlichen Herstellungsaufwand und sind von unzureichender Fertigungsgenauigkeit bezüglich der an die Rohrgeometrie zu stellenden Anforderungen. Zudem verfügen derartige Leitungen häufig über keine ausreichende Wärmeisolation.
Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität der Ladeluftleitung sind auch technische Lösungen bekannt, die als Außenschicht eine metallbasierte, zur Reduzierung des Baugewichtes aus einem Metallschaum bestehende Schicht entsprechend DE 10 2008 06 02 345 A1 verwenden.
Ladeluftleitungen aus flexiblem Material weisen außerdem häufig gefaltete Funktionsbereiche auf, die u. a. die Leitungsverlegung im nur begrenzt zur Verfügung stehenden freien Platz im Motorraum erleichtern und die axiale Längung der unter Innendruck stehenden schlauchförmigen Leitung und damit eine Kräfteübertragung zwischen den Bauteilen reduzieren sollen. unerwünschte Querschnittsänderungen der Leitung und Probleme bei deren durchgängiger Isolierung sind daher nicht ausgeschlossen.
Zur Schallreduzierung bei Turboladern, hervorgerufen durch Druckpulsationen in der Ladeluft, sind gleichfalls eine Vielzahl von Lösungen bekannt geworden, die vor allem zusätzliche bauliche Maßnahmen mit selbstständigen Baueinheiten in den Ladeluftleitungen zur Schallbekämpfung beinhalten, beschrieben z. B. in DE 19615917 A1 und EP 0039459 A1 oder DE 19818873 C2 .
Diese Einheiten erfordern jedoch häufig nicht nur erheblichen zusätzlichen Bauraum, sondern auch eine Ummantelung der Ladeluftleitung und anderer Bau- und Gehäuseteile des Turboladers mit schallabsorbierenden Dämmstoffen.
Nach EP 0048522 ist es ferner bekannt, zur thermischen Isolierung ein flexibles Kunststoffrohr als Innenrohr mit einem Band aus vernetztem thermischen Schaumstoff aus Polyethylen zu umwickeln, wobei das Innenrohr aus einem hochtemperaturbeständigen Material besteht. Schon wegen des dafür erforderlichen Herstellungsaufwandes und den dabei entstehenden Materialkosten ist diese Lösung für die Fertigung von Ladeluftleitungen ungeeignet.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ladeluftleitung mit Hitzeschutzsystem mit einfachen Mitteln und auf kostengünstige Weise so zu verbessern, dass diese mit einer wenig aufwendigen, einteiligen Bauweise den steigenden Anforderungen bezüglich der Druckstabilität und sonstigen mechanischen Belastungen, der Temperaturbeständigkeit sowie auch der Schalldämmung weitestgehend entsprechen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch eine mehrschichtige schlauchförmige Ladeluftleitung aus Kunststoff mit zumindest einer rohrförmigen Außenschicht und einer an deren Innenwand anliegenden, ebenfalls rohrförmig ausgebildeten Innenschicht als Hitzeschutzsystem gelöst, bei der die Innenschicht zum Hitze- und Schallschutz aus einer in einem Blasformverfahren erzeugten hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Schaumstoffschicht mit variabler Schichtdicke besteht.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind der Gegenstand von mehreren Unteransprüchen.
Die vorliegende Erfindung soll nachstehend anhand von zwei schematischen Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt die 1 einen Teil einer herkömmlichen Ladeluftleitung mit einem Faltenbereich in einem gekrümmten Leitungsabschnitt und die 2 im Längsschnitt den Schichtaufbau einer erfindungsgemäßen doppelschichtigen Ladeluftleitung mit einem wellenförmigen Faltenbereich.
Die 1 zeigt eine nach dem Stand der Technik vorwiegend aus einem Metall oder einem glasfaserverstärktem Kunststoff bestehende schlauchförmigen Ladeluftleitung 1 mit einem gekrümmten Faltenabschnitt 2. Als Kunststoffmaterial für die Leitung eignen sich beispielsweise temperaturbeständige thermoplastische Elastomere, die sowohl mechanisch als auch chemisch hochbelastbar sind. Die Leitung kann sich zusätzlich über Kupplungselemente aus Metall oder Kunststoffen in fluiddichter Verbindung mit noch anderen Leitungen befinden. Das Faltensystem gestattet die dynamische Entkopplung zwischen dem Motor und der Karosserie. Neben dieser Reduktion von Kräfteübertragungen, z. B. durch Moaxfalten^®, kann durch die variable Formgebung der schlauchartigen Ladeluftleitung auch deren flexiblere Verlegung im Motorraum erfolgen.
Im Unterschied dazu besteht das System der Ladeluftleitung 1 entsprechend 2 erfindungsgemäß aus der Konfiguration einer thermoplastischen schlauchartigen Außenschicht 4, bspw. einem thermoplastischen Elastomer und einer damit verbundenen innenliegenden Innenschicht 3 aus einem geschäumten Kunststoff, die eine entsprechende Steifigkeit aufweisen muss und als thermische Isolationsschicht eine schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzt. Die rohrförmige Innenschicht 3 besteht aus schaumförmigem thermoplastischem Material, wie bspw. Polyphenylensulfid (PPS), welches zuvor mit einem bekanntem Treibmittel, z. B. einem Inertgas, versetzt und in einem Koextrusionsverfahren (CoEx-Verfahren) als Rohrinnenschicht geformt und anschließend fest mit der Rohraußenschicht verbunden wurde.
Durch das von der Innenschicht 3 gebildete Innenrohr wird die heiße Ladeluft bei einer Temperatur bis zu 210 Grad Celsius geführt. Die geschäumte Innenschicht wirkt dabei gegenüber der flexiblen und bis etwa 150 Grad Celsius warmformstabilen Außenschicht 4 wie ein thermischer Isolator. Neben der thermischen Schutzwirkung ist die geschäumte Innenschicht 4 aber zugleich auch zur akustischen Dämpfung hervorragend geeignet, wobei diese druckstabile Schaumschicht zur Optimierung ihres Dämpfungsverhaltens in Axialrichtung der Ladeluftleitung abschnittsweise oder auch durchgängig eine variable Schichtdicke aufweisen kann, wie in 2 der Funktionsabschnitt 5 mit vergrößerter Schichtdicke unschwer erkennen lässt. Die durch Druckschwankungen in der Ladeluftleitung hervorgerufene Schallabstrahlung kann somit weitgehend reduziert werden.
Zur Herstellung der zuvor beschriebenen Ladeluftleitung 1 wird ein Verfahren benutzt, bei dem das in einer hier nicht dargestellten CoEx-Vorrichtung ein zum Aufschäumen geeignetes Kunststoffmaterial – wie PPS – für die Rohrinnenschicht mit einem hierzu zumeist nicht verwandtem Kunststoffmaterial für die Rohraußenschicht coextrudiert und übereinander angeordnet verbunden wird.
Der so entstehende Vorformling mit geschäumter Rohrinnenschicht wird in sich anschließenden Arbeitsschritten des Blasformens zur Ladeluftleitung als Endprodukt ausgeformt und verfestigt. Zur Fertigung der Innenschicht der Ladeluftleitung wird beim Verschäumen des in der CoEx-Vorrichtung unter einem Druck bis 500 bar beförderten Kunststoff-Massestroms ein Inertgas eingesetzt, welches direkt in den Massestrom in dessen Strömungsrichtung eingeleitet wird und diesen dabei verwirbelt. Seine Zusammenführung mit dem Massestrom für die Außenschicht erfolgt unmittelbar nach dessen Austreten aus dem der hier nicht dargestellten Schlauchkopf der CoEx-Vorrichtung. Damit wird verhindert, dass eine thermische Überlastung des für die Rohraußenschicht verwendeten weniger warmformstabilen Kunststoffmaterials eintritt.
Die Einstellung der jeweils vorgegebenen Schichtdicke für die Innenrohrschicht aus Kunststoffschaum erfolgt durch die Steuerung des betreffenden Massedurchsatzes durch die Extruderanlage sowie der Menge des zur Verschäumung einzuleitenden Inertgases. Dadurch ist es möglich, die Schichtdicke der Schaumschicht kontinuierlich zu verändern bzw. nur abschnittsweise auf einem vorgegebenen konstanter Wert zu belassen, um so die Eigenschaft des Kunststoffschaums als Schallabsorber optimal auszunutzen, wie z. B. aus 2 und der im Funktionsabschnitt 5 vorgenommene erheblichen Wandverstärkung für das Innenrohr als Maßnahme zur Schalldämpfung ersichtlich ist.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die technische Lösung in der Weise, dass die Ladeluftleitung zweischichtig mit einer Innen- und einer Außenschicht ausgeführt wird. Für weitere Anwendungsmöglichkeiten sind aber auch mehrschichtige Lösungsvarianten mit zur Schauminnen- und Außenschicht zusätzlichen Materialschichten durchaus denkbar.
Insbesondere kann die hier beschriebene Lösung einer Ladeluftleitung bei anderen Fluidleitungen mit hohen Anforderungen an die Wärmeisolation, Schalldämpfung oder die Warmformstabilität, wie sie vor allem für den Fahrzeugbau und bei Verbrennungskraftmaschinen benötigt werden, mit Vorteil Verwendung finden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19960427 C1 [0003]
JP 08035458 [0003]
JP 05215025 [0003]
DE 1020080602345 A1 [0004]
DE 19615917 A1 [0006]
EP 0039459 A1 [0006]
DE 19818873 C2 [0006]
EP 0048522 [0008]

Claims

Mehrschichtige schlauchförmige Ladeluftleitung aus Kunststoff mit einem Hitzeschutzsystem und zumindest einer Außen- und einer Innenschicht als Coextrudate, bei der die als Hitze- und Schallschutz ausgebildete Innenschicht der Ladeluftleitung eine blasgeformte thermoplastische Schaumstoffschicht von variabler Schichtdicke ist.
Mehrschichtige schlauchförmige Ladeluftleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstoffschicht eine in Axialrichtung abschnittsweise variable Schichtdicke aufweist.
Mehrschichtige schlauchförmige Ladeluftleitung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstoffschicht aus einem hochtemperaturbeständigem thermoplastischen Kunststoff besteht.
Mehrschichtige schlauchförmige Ladeluftleitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstoffschicht aus Polyphenylensulfid (PPS) besteht.
Mehrschichtige schlauchförmige Ladeluftleitung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluftleitung in Axial abschnittsweise als Wellenschlauch ausgebildet ist.
Mehrschichtige schlauchförmige Ladeluftleitung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluftleitung einstückig ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen schlauchförmige Ladeluftleitung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1–6, bei dem das mit einem Schäumungsmittel aufgeschäumte Kunststoffmaterial der Innenschicht der Ladeluftleitung und die diese umgebende, aus einem weiteren Kunststoffmaterial bestehende Außenschicht der Ladeluftleitung durch Coextrusion übereinanderliegend zu einem Vorformling zusammengeführt werden, der in sich anschließenden Arbeitsschritten durch Blasformen zu einer Ladeluftleitung ausgeformt wird.
Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen schlauchförmige Ladeluftleitung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammenführung der koextrudierten Innen- und Außenschicht unmittelbar nach dem Austritt der Coextrudate aus dem CoEx-Werkzeug erfolgt.
Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen schlauchförmige Ladeluftleitung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufschäumen des Kunststoffmaterials für die Innenschicht der Ladeluftleitung ein Inertgas als Treibmittel vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen schlauchförmigen Ladeluftleitung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, das die in Axialrichtung der Ladeluftleitung variable Schichtdicke der geschäumten Innenschicht jeweils durch Steuerung der Mengenzufuhr von Inertgas sowie des zu verschäumenden Kunststoffmaterials im CoEx-Werkzeug eingeregelt wird.