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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein aktives thermisches Schild und Leitblech thermischer Energie.
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HINTERGRUND
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Hitzeschilde sind typischerweise konstruiert, um zu verhindern, dass eine Substanz übermäßig thermische Energie oder Wärme von einer äußeren Quelle absorbiert, indem eine solche Wärme dissipiert, reflektiert oder absorbiert wird.
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Kraftfahrzeuge verwenden oft Hitzeschilde, um die thermischen Bedingungen aufgrund von großen Wärmemengen zu steuern, die von Verbrennungsmotoren abgegeben werden. An den meisten Motoren werden Hitzeschilde verwendet, um verschiedene Komponenten und die Karosserie vor einer Beschädigung durch die Wärme zu schützen. Zusätzlich können Hitzeschilde einen Leistungsvorteil für den Motor liefern, indem die Temperaturen unter der Kühlerhaube an kritischen Orten verringert werden, um die Temperatur der Einlassluft zu verringern. Kraftfahrzeug-Hitzeschilde können aus einem starren Blech aus Stahl oder Aluminium gebildet sein, oder sie können aus einer flexiblen Aluminiumfolie gebildet sein, die durch den Monteur des Schilds manuell gebogen wird, um in die Zielumgebung zu passen.
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In Situationen, in denen thermisch empfindliche Komponenten in unmittelbarer einer extremen Wärmequelle positioniert werden, wird das Steuern der thermischen Energie zum Verhindern der schädlichen Wärmeabsorption durch die betreffende Komponente sogar noch herausfordernder. In solche Situationen kann die Unfähigkeit, die empfindliche Komponente effektiv abzuschirmen, zu einer Störung der Komponente und zu einer Fehlfunktion des Systems führen, in dem die Komponente eine Schlüsselrolle spielt. Die Konstruktion und die Auswahl eines Hitzeschilds für eine solche Anwendung kann sich daher als kritisch für die Zuverlässigkeit eines betreffenden Systems und für die Zufriedenheit des Benutzers des Systems herausstellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein thermisches Schild-Leitblech umfasst eine erste Lage und eine zweite Lage. Jede von der ersten und der zweiten Lage ist aus einem Material gebildet, das beständig gegenüber thermischer Energie ist, und jede ist durch eine Oberfläche mit einer Breite und einer Höhe charakterisiert. Das Schild-Leitblech umfasst auch eine dritte Lage, die aus einem Material gebildet ist, das thermische Energie im Wesentlichen nicht leitet. Die dritte Lage ist durch eine dritte Breite und eine dritte Höhe charakterisiert, und sie ist zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage angeordnet, um zumindest einen Durchgang zu definieren, der sich entlang der ersten Höhe und/oder der zweiten Höhe erstreckt. Der zumindest eine Durchgang ist ausgebildet, um thermische Energie entlang der entsprechenden ersten und zweiten Höhe abzuleiten und die thermische Energie von dem Schild-Leitblech abzuführen, wenn das Schild-Leitblech einer Wärmequelle ausgesetzt ist.
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Die erste Breite kann im Wesentlichen gleich der zweiten Breite sein, und die erste Höhe kann im Wesentlichen gleich der zweiten Höhe sein. Dementsprechend können die erste und die zweite Lage entlang der ersten und der zweiten Höhe die dritte Lage zumindest teilweise überlagern, und sie können entlang der ersten und der zweiten Breite die dritte Lage zumindest teilweise überlagern, ohne die Durchgänge in der ersten und der zweiten Lage einzuschränken. Zusätzlich können die erste und die zweite Lage derart verbunden sein, dass die dritte Lage durch die erste und die zweite Lage gehalten wird. Die Verbindung der ersten und der zweiten Lage kann durch einen Crimpprozess hergestellt werden.
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Die erste Lage kann einen Kanal definieren, der sich entlang der gesamten ersten Höhe erstreckt, und die zweite Lage kann einen Kanal definieren, der sich entlang der gesamten zweiten Höhe erstreckt. In einem solchen Fall kann der zumindest eine Durchgang mehrere Durchgänge umfassen, sodass zumindest einige der mehreren Durchgänge durch den Kanal in der ersten Lage und den Kanal in der zweiten Lage definiert werden. Zusätzlich kann die dritte Lage einen Kanal definieren, der sich entlang der gesamten dritten Höhe erstreckt, sodass der zumindest eine Durchgang durch den Kanal in der dritten Lage definiert wird.
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Jede von der ersten Lage und der zweiten Lage kann entweder aus Stahl oder aus Aluminium gebildet sein, während die dritte Lage aus einer Keramik gebildet sein kann.
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Der Durchgang in der ersten Lage kann im Wesentlichen parallel zu dem Durchgang in der zweiten Lage gebildet sein.
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Es wird auch ein Verbrennungsmotor offenbart, der einen Auslasskrümmer aufweist und das thermische Schild-Leitblech verwendet, um thermische Energie, die von dem Auslasskrümmer abgegeben wird, weg von einer empfindlichen Komponente oder einem empfindlichen Gebiet abzuleiten.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der besten Weisen zum Ausführen der Erfindung leicht offensichtlich, wenn die Beschreibung mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Perspektivansicht eines Verbrennungsmotors mit einem thermischen Schild-Leitblech, das einen Auslasskrümmer abdeckt;
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2 ist eine perspektivische Explosionsansicht des Schild-Leitblechs, das in 1 gezeigt ist;
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3 ist eine Perspektivansicht des Schild-Leitblechs, das in 1 und 2 gezeigt ist, wobei das Schild-Leitblech in einem montierten Zustand dargestellt ist; und
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4 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer alternativen Ausführungsform des Schild-Leitblechs, das in 1–3 gezeigt ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Auf die Zeichnungen Bezug nehmend, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, zeigt 1 eine schematische Perspektivansicht eines Verbrennungsmotors 10. Der Motor 10 kann ein Kompressions- oder ein Funkenzündungstyp sein. Der Motor 10 weist einen Auslasskrümmer 12 auf. Der Auslasskrümmer 12 wird verwendet, um Abgase zu sammeln und zu leiten, die aus den Zylindern des Motors (nicht gezeigt) nach einer Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in diesen ausgestoßen werden. Der Auslasskrümmer 12 kann eine eigenständige Komponente sein, oder er kann mit einem Turbolader (nicht gezeigt) integriert sein, wenn ein solcher in dem speziellen Motor verwendet wird. Wie es Fachleuten bekannt ist, sind Abgase nach der Verbrennung oft durch Temperaturen von mehr als 1000 Grad Celsius (C) charakterisiert. Um solchen Temperaturen strukturell Stand zu halten, werden Auslasskrümmer typischerweise aus Eisen gegossen oder aus Edelstahl hergestellt.
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Infolgedessen, dass er zum Sammeln von Abgasen nach der Verbrennung verwendet wird, absorbiert der Auslasskrümmer 12 signifikant thermische Energie oder Wärme aus solchen Gasen, sodass die Oberflächentemperatur des Auslasskrümmers 800 Grad C überschreiten kann. Während des gesamten Betriebs des Motors 10 strahlt der Auslasskrümmer 12 die absorbierte thermische Energie in die umgebende Umwelt ab. Der Motor 10 weist auch eine Komponente 14 auf, die in der Nähe des Auslasskrümmers 12 angeordnet ist. Die Komponente 14 kann einen komplizierten Mechanismus und/oder verschiedene elektrische Verbindungen aufweisen, und sie ist möglicherweise nicht in der Lage, einer direkten Abstrahlung thermischer Energie von dem Auslasskrümmer 12 ohne eine Fehlfunktion oder einen kompletten Ausfall Stand zu halten. Die Komponente 14 kann beispielsweise ein Klopfsensor sein, wie er beispielsweise häufig in Verbrennungsmotoren zur Detektion einer unregelmäßigen Verbrennung im Innern der Zylinder verwendet wird. Wie Fachleute einsehen werden, ist ein solcher Klopfsensor typischerweise nicht in der Lage, einer direkten Abstrahlung thermischer Energie von einer benachbarten Wärmequelle Stand zu halten, wie beispielsweise dem Auslasskrümmer 12.
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Ein thermisches Schild-Leitblech 16 ist zwischen dem Auslasskrümmer 12 und der Komponente 14 angeordnet. Das Schild-Leitblech 16 kann an dem Auslasskrümmer 12, an der Komponente 14 oder an einer beliebigen anderen Struktur an dem Motor 10 angebracht sein. Wenn das Schild-Leitblech 16 an dem Auslasskrümmer 12 angebracht ist, kann das Schild-Leitblech 16 speziell geformt sein, um den Auslasskrümmer 12 derart abzudecken, dass sich der Körper des Schild-Leitblechs in dem direkten Weg der Wärme befindet, die von dem Auslasskrümmer abgestrahlt wird. Das Schild-Leitblech 16 kann an dem Auslasskrümmer 12, an der Komponente 14 oder an einer beliebigen anderen Struktur an dem Motor 10 durch ein beliebiges geeignetes Mittel befestigt werden, wie beispielsweise durch Bolzen oder Schrauben (nicht gezeigt).
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Auf 2 Bezug nehmend, umfasst das Schild-Leitblech 16 eine erste Lage 18, die aus einem Material gebildet ist, das beständig gegenüber thermischer Energie ist, d. h. aus dem Materialtyp, der seine feste Struktur beibehält, wenn er erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird, wie beispielsweise Aluminium oder Stahl. Die erste Lage 18 ist durch eine erste Oberfläche 20 mit einer ersten Breite 22, einer ersten Höhe 24 und mehreren Kanälen 26 charakterisiert, die sich entlang der gesamten ersten Höhe erstrecken. Das Schild-Leitblech 16 umfasst auch eine zweite Lage 28, die auf ähnliche Weise wie die erste Lage 18 aus einem Material gebildet ist, das beständig gegenüber thermischer Energie ist. Die zweite Lage 28 ist durch eine zweite Oberfläche 30 mit einer zweiten Breite 32, einer zweiten Höhe 34 und mehreren Kanälen 36 charakterisiert, die sich entlang der gesamten zweiten Höhe erstrecken. Jede von der ersten und der zweiten Lage 18, 28 kann durch einen Stanzprozess gebildet werden.
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Wie in 2 gezeigt ist, umfasst das Schild-Leitblech 16 zusätzlich eine dritte Lage 38, die aus einem Material gebildet ist, das thermische Energie im Wesentlichen nicht leitet, wie beispielsweise Keramik. Wie Fachleuten bekannt ist, ist die thermische Leitfähigkeit k die Eigenschaft eines Materials, die dessen Fähigkeit bei dem Leiten von Wärme angibt. Die thermische Leitfähigkeit wird in Watt pro Kelvin pro Meter gemessen, d. h. k = W/(mK). Die thermische Leitfähigkeit sagt einen Betrag eines Energieverlustes in Watt durch eine Einheitsfläche des betreffenden Materials mit einer spezifischen Dicke voraus. Ein Material wird als ein effektiver Isolator angesehen, wenn seine thermische Leitfähigkeit in der Nähe von ungefähr 1,0 W/(mK) oder darunter liegt. Zum Vergleich liegt die thermische Leitfähigkeit vieler Keramiken in dem Bereich von 0,1–1,0 W/(mK), die thermische Leitfähigkeit von Edelstahl beträgt ungefähr 15 W/(mK), während diejenige von Kohlenstoffstahl ungefähr 45 W/(mK) beträgt und die thermische Leitfähigkeit von Aluminium ungefähr 120–250 W/(mK) beträgt. Anhand der vorstehenden Beispiele ist es offensichtlich, dass Keramiken im Allgemeinen wesentlich effektivere thermische Isolatoren als Metalle sind.
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Die dritte Lage 38 ist durch eine Dicke 39, eine dritte Breite 40 und die dritte Höhe 41 charakterisiert. Die dritte Lage 38 ist derart zwischen der ersten Lage 18 und der zweiten Lage 28 angeordnet, dass die Kanäle 26, 36 jeweils in der ersten Lage und in der zweiten Lage einzelne und ausgeprägte Durchgänge 42 und 44 bilden. Die Durchgänge 42 und 44 sind ausgebildet, um thermische Energie, die von dem Auslasskrümmer 12 abgegeben wird, entlang der entsprechenden ersten und zweiten Höhe 24, 34 abzuleiten und die thermische Energie von dem Schild-Leitblech 16 durch ein Phänomen abzuführen, das als Kaminwirkung bezeichnet wird, wie es nachstehend beschrieben wird. Wie es gezeigt ist, verlaufen die Durchgänge 42 in der ersten Lage 18 im Wesentlichen parallel zu den Durchgängen 44 in der zweiten Lage 28. Wenn das Schild-Leitblech 16 an dem Auslasskrümmer 12 installiert ist, sind die Durchgänge 42, 44 darüber hinaus im Wesentlichen vertikal bezogen auf den Boden ausgerichtet. Eine solche Ausrichtung der Durchgänge 42, 44 ermöglicht das effektivste Entweichen der aufgeheizten Luft aus diesen Durchgangen.
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Eine Kaminwirkung ist die Bewegung von Luft in abgeschlossene Bereiche und aus diesen heraus in Strukturen wie etwa Gebäuden, Schornsteinen, Rauchgaskaminen oder anderen Behältnissen, und sie wird durch den Auftrieb getrieben. Ein solcher Auftrieb tritt im Allgemeinen aufgrund einer Differenz in der Luftdichte zwischen dem abgeschlossenen Bereich und der Umgebung auf, die typischerweise aus Differenzen in der Temperatur und/oder der Feuchtigkeit resultiert. Die Folge von solchen Temperatur- und/oder Feuchtigkeitsdifferenzen ist entweder eine positive oder eine negative Auftriebskraft. Je größer die thermische Differenz zwischen dem abgeschlossenen Bereich und der Umgebung ist und auch die Höhe der Struktur, umso größer ist letztlich die Auftriebskraft und dadurch die Kaminwirkung.
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Damit die Kaminwirkung vorhanden ist, muss es eine Druckdifferenz ”ΔP” zwischen dem abgeschlossenen Bereich und der Umgebung geben, die durch die Differenz in der Temperatur zwischen diesen zwei Bereichen hervorgerufen wird. Eine solche Druckdifferenz ist die treibende Kraft für die Kaminwirkung, und sie kann mit den nachstehend dargestellten Gleichungen berechnet werden. Die Situation in den Durchgängen 42 und 44 von 3 ist derjenigen in einem Rauchgaskamin oder einem Schornstein ähnlich, die durch eine Höhe ”h” charakterisiert sind, und die nachstehenden Gleichungen können eine Näherung der Strömung liefern, die durch die Kaminwirkung hervorgerufen wird.
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Gemäß dem internationalen Einheitensystem, auch bekannt als SI, ist ”ΔP” in der vorstehenden Gleichung die verfügbare Druckdifferenz in Pascal, ”C” ist eine Konstante mit einem Wert von 0,0342, ”a” ist der atmosphärische Druck in Pascal, ”h” ist eine Höhe oder Distanz in Meter, ”To” ist die absolute Außentemperatur in Kelvin, und ”Ti” ist die absolute Innentemperatur in Kelvin. Darüber hinaus kann eine Näherung der Zugluft- oder Auftriebs-Strömungsrate, die durch die Kaminwirkung hervorgerufen wird, mit der nachstehend dargestellten Gleichung berechnet werden. Für Rauchgaskamine oder Schornsteine, bei denen sich Luft an der Außenseite und Verbrennungsrauchgase an der Innenseite befinden, liefert die nachstehende Gleichung eine Näherung der Zugluft- oder Auftriebs-Strömungsrate, die durch die Kaminwirkung hervorgerufen wird.
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Gemäß dem SI-Einheitensystem ist ”Q” in der vorstehenden Gleichung die Zugluft-/Auftriebsströmungsrate der Kaminwirkung in m3/s, ”A” ist die Querschnittsfläche der Strömung in m2, ”C” ist der Entleerungskoeffizient (der üblicherweise zwischen 0,65 und 0,70 liegt), ”g” ist die Gravitationsbeschleunigung (definiert als 9,81 m/s2), ”h” ist die Höhe des Rauchgaskamins oder Schornsteins in Meter (m), ”Ti” ist die mittlere Innentemperatur in Kelvin, und ”To” ist die Außenlufttemperatur in Kelvin.
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Durch die Verwendung der vorstehend beschriebenen Konstruktion aus relativ gewöhnlichen Materialien ist das Schild-Leitblech 16 in der Lage, einen Temperaturabfall von bis zu 600 Grad C über eine Distanz von 20 mm zu erzeugen. Ein solcher signifikanter Temperaturabfall über eine relativ kurze Distanz ist auf andere Weise schwer zu erreichen, ohne exotische und teure Materialien zum Abdecken des Auslasskrümmers 12 zu verwenden. Dieses Ergebnis wird möglich gemacht, da das Schild-Leitblech 16 die thermische Energie, die von dem Auslasskrümmer 12 abgegeben wird, nicht einfach dissipiert, reflektiert oder absorbiert, sondern die Wärme tatsächlich weg von der Komponente 14 ableitet und kanalisiert. Die Gesamtwirkung der Verwendung des Schild-Leitblechs 16 ist es, die Möglichkeit zu verringern, dass eine Beschädigung der Komponente 14 auftritt, sogar dann, wenn eine solche Komponente in unmittelbarer Nähe des Auslasskrümmers 12 angeordnet wird.
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Wie in 2 und 3 zu sehen ist, ist die erste Breite 22 in dem Schild-Leitblech 16 im Wesentlichen gleich der zweiten Breite 32, und die erste Höhe 24 ist im Wesentlichen gleich der zweiten Höhe 34. Zusätzlich erfolgt die Konstruktion des Schild-Leitblechs 16 derart, dass die erste und die zweite Lage 18, 28 die dritte Lage 38 entlang der dritten Höhe 41 überlagern oder abdecken und auch die dritte Lage teilweise entlang der dritten Breite 40 überlagern, ohne die Luftströmung in den Durchgängen 42, 44 einzuschränken. Wie in 3 gezeigt ist, wird die Überlagerung der dritten Lage 38 entlang der dritten Höhe 41 mittels einer Crimpverbindung 46 hergestellt. Die teilweise Überlagerung der dritten Lage 38 entlang der dritten Breite 40 wird mittels einer lokalen Crimpverbindung 48 hergestellt, welche die Durchgänge 42, 44 nicht einschränkt. Die Crimpverbindungen 46, 48 stellen sicher, dass die erste und die zweite Lage 18, 28 derart verbunden sind, dass die dritte Lage 38 durch die erste und die zweite Lage fest gehalten wird. Obgleich 3 darstellt, dass das Schild-Leitblech 16 eine Struktur aufweist, die durch die Crimpverbindungen 46, 48 gehalten wird, können andere geeignete Mittel zum Halten der Struktur, wie beispielsweise Schweißverbindungen usw., ebenfalls verwendet werden.
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4 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht eines Schild-Leitblechs 50, das eine alternative Ausführungsform des Schild-Leitblechs 16 ist, das in 1–3 gezeigt ist. Die alternative Ausführungsform zeigt eine dritte Lage 52, die der dritten Lage 38 ähnlich ist, die in 1–3 gezeigt ist, außer dass sie eine Dicke 54 aufweist, die mehrere Kanäle 56 und 58 definiert, die sich entlang der gesamten dritten Höhe 41 erstrecken. Die alternative Ausführungsform von 4 zeigt auch eine erste und eine zweite Lage 60, 62, die der ersten bzw. der zweiten Lage 18, 28 ähnlich sind, die in 1–3 gezeigt sind, außer dass sie frei von irgendwelchen Kanälen sind.
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Bei der alternativen Ausführungsform bilden die Kanäle 56, 58 dann, wenn die dritte Lage 52 zwischen der ersten Lage 60 und der zweiten Lage 62 angeordnet ist, einzelne und ausgeprägte Durchgänge an jeder Seite der dritten Lage entlang der Höhe 41. Derart gebildet werden die Durchgänge in der Endmontage des Schild-Leitblechs 50 funktional identisch zu den Durchgängen 42, 44 des Schild-Leitblechs 16. Somit sind die Durchgänge des Schild-Leitblechs 50 auf ähnliche Weise wie die Durchgänge des Schild-Leitblechs 16 ausgebildet, um thermische Energie, die von dem Auslasskrümmer 12 abgegeben wird, entlang der dritten Höhe 41 abzuleiten und die thermische Energie mittels der Kaminwirkung von dem Schild-Leitblech 50 abzuführen.
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Obgleich die besten Weisen zum Ausführen der Erfindung ausführlich beschrieben wurden, werden Fachleute, die diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche auszuüben.
