DE10230938A1

DE10230938A1 - Metallüberzug für einen Bestandteil eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE10230938A1
Application number: DE10230938A
Authority: DE
Inventors: James John Kempf
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2003-07-03
Also published as: GB0216947D0; GB2383085B; GB2383085A; US6598581B2; US20030111038A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bestandteil für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs mit verringerten NVH-Eigenschaften. Der Bestandteil weist eine mit einem Kunststoffverbundstoffmaterial gebildete Schale auf. Die Schale legt eine Einlassöffnung, eine Auslassöffnung, eine Außenseite und eine Innenseite fest. Die Innenseite legt einen inneren Hohlraum fest, um den Lufthindurchtritt zum Verbrennungsmotor zu erlauben. Eine Dämpfungsschicht ist auf der Außenseite derart angeordnet, dass die Dämpfungsschicht das Geräusch deutlich dämpft, das von dem Bestandteil abgestrahlt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einer. Ansaugkrümmer für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verringerung von Geräusch in einem Ansaugkrümmer für einen Verbrennungsmotor.
Geräusch wird in Verbrennungsmotoren durch Motorvibration, interne Druckpulsationen und Verbrennung erzeugt. Ansaugkrümmer beeinflussen die Geräusch-, Vibrations- und Lautheitsqualität (Noise, Vibration und Harshness quality, vorliegend kurz als NVH bezeichnet) des Fahrzeugs in ausgeprägter und spezieller Weise. Dies ist deshalb der Fall, weil Ansaugkrümmer nicht nur durch die Vibrationseinleitung von der Struktur des Motors erregt werden, sondern auch durch interne Druckpulsationen auf Grund von Ansaugereignissen. Es besteht deshalb ein Bedarf an einer Konstruktion eines Krümmers, die strukturell so haltbar bzw. stabil ist, dass sie einem extrem breiten Frequenzbereich von Krafteinleitungen zu widerstehen vermag.
Um unerwünschtes Geräusch vom Ansaugkrümmer zu unterdrücken, haben Techniken gemäß dem Stand der Technik die Nutzung einer Ansaugkrümmerabdeckung gelehrt. Diese Abdeckung ist mitunter mitsamt isolierenden Merkmalen mechanisch am Ansaugkrümmer oder dem Motor angebracht. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Verwendung von NVH-Abdeckungen nicht stets zu einer wirksamen Verringerung von Geräusch ausgehend vom Ansaugkrümmer führt. Außerdem hat sich herausgestellt, dass auf Grund von Platzerfordernissen die Abdeckung den Ansaugkrümmer nicht stets vollständig abdecken kann, wodurch Geräusch austreten kann.
Ferner wurde herausgefunden, dass Aluminiumansaugkrümmer überlegene NVH-Qualitäten im Vergleich zu Kunststoffansaugkrümmern besitzen. Dies rührt von ihrer größeren Masse her, die einen Übergangsverlust durch das Teil erhöhen, und von der erhöhten Steifheit des Teils, das es dem Ansaugkrümmer ermöglicht, einer Durchbiegung zu widerstehen. Es hat sich deshalb herausgestellt, dass Verbundstoffansaugkrümmer ausgehend von ihren Oberflächen keine Geräuschübertragung verhindern, um Pegel von angestrahltem Geräusch so niedrig wie möglich zu halten.
In der einschlägigen Industrie besteht deshalb ein Bedarf an der Herstellung von Ansaugkrümmern, die niedrige NVH-Pegel erlauben, leichtgewichtig sind und problemlos herstellbar und kosteneffektiv sind.
Erreicht werden diese Ziele durch die Merkmale des Anspruchs 1 hinsichtlich eines Bestandteils für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs mit verringerten NVH-Eigenschaften, und durch die Merkmale des Anspruchs 8 hinsichtlich eines Herstellungsverfahrens hierfür. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Bestandteil für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs zugunsten verringerter NVH-Eigenschaften eine Schale aufweist, die aus Kunststoffverbundmaterial gebildet ist. Die Schale legt eine Einlassöffnung, eine Auslassöffnung, eine Außenseite und eine Innenseite fest. Die Innenseite legt einen inneren Hohlraum fest, um einen Lufthindurchtritt zum Verbrennungsmotor zu ermöglichen. Außerdem umfasst der Bestandteil eine dämpfende Schicht, die auf der Außenseite angeordnet ist und das Geräusch deutlich dämpft, das von dem Bestandteil bzw. der Komponente ausgestrahlt wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; in dieser zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Verbrennungsmotors,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Drosseladapters eines Ansaugkrümmers für einen Verbrennungsmotor,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Drosseladapters mit der Dämpfungseinheit aus einer Metallmatrix für einen Verbrennungsmotor,
Fig. 4 eine Querschnittsansicht des Bestandteils,
Fig. 5 eine grafische Darstellung des Transmissionsverlustes bzw. Übergangsverlustes bzw. Durchgangsverlustes durch die Außenseite der Komponente,
Fig. 6 eine grafische Darstellung der Frequenz als Funktion des Schalldruckpegels für einen Aluminiumbestandteil und einen Verbundstoffbestandteil, und
Fig. 7 eine Kurvendarstellung der Frequenz als Funktion des Schalldruckpegels für einen Verbundstoffbestandteil und den Verbundstoffbestandteil mit einer Dämpfungsschicht.
In Fig. 1 ist ein Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug gezeigt und allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfasst der Motor 10 einen Zylinderkopf 12, eine Verbrennungskammer 14 zum Verbrennen von Kraftstoff, einen Kolben 16, der im Zylinder hin und her läuft, eine Kurbelwelle 17 zum Bewegen des Kolbens 16 entlang einer Kreisbahn, eine Verbindungsstange 19 zum Verbinden des Kolbens 16 mit der Kurbelwelle 17, eine Einlassöffnung 18 zum Leiten eines Luftkraftstoffgemisches zur Kurbelwelle 17, und ein Ventil 15, um das Luftkraftstoffgemisch selektiv in die Verbrennungskammer 14 einzuleiten. Der Motor 10 kann zusätzliche Bestandteile aufweisen, wie etwa eine Ölwanne, Lager, Zündkerzen, einen Abgasanschluss, Abgasventile u. dgl. Die Arbeitsweise des Motors 10 ist an sich bekannt und wird vorliegend nicht näher erläutert.
Die Ansaugöffnung 18 ist mit einer (nicht gezeigten) Leitung verbunden, die die Luft zu der Verbrennungskammer 14 überträgt. Am anderen Ende ist die Leitung mit einem (nicht gezeigten) Ansaugkrümmer verbunden. In Fig. 2 ist ein Bestandteil bzw. eine Komponente des Ansaugkrümmers gezeigt und allgemein mit der Bezugsziffer 20 bezeichnet. Der Bestandteil 20 kann als Drosselkörperadapter bezeichnet werden. Der Bestandteil 20 ist zwischen dem Ansaugkrümmer und der (nicht gezeigten) Drosselkammer angeordnet gezeigt. Der Bestandteil 20 umfasst eine Einlassöffnung 21, die mit der Drosselkammer verbunden ist, und eine Auslassöffnung 22, die mit dem Ansaugkrümmer verbunden ist. Der Bestandteil 20 weist eine (nicht gezeigte) Innenseite auf, die einen inneren Hohlraum festlegt, um Luft zu der Verbrennungskammer 14 des Motors 10 hindurch zu lassen. Der Bestandteil 20 legt außerdem eine Außenseite 24 fest. Der Bestandteil 20 legt außerdem einen Flansch 26 um den Perimeter des Bestandteils 20 fest. Der Flansch 26 umfasst Durchbrüche 28 zum Aufnehmen von Befestigungselementen, die die Bestandteil 20 am Ansaugkrümmer festlegen oder alternativ am Zylinderkopf 12.
Obwohl in der Zeichnung ein Bestandteil 20 eines Ansaugkrümmers allgemein gezeigt und vorliegend erläutert ist, wird bemerkt, dass die Erfindung nicht auf diesen Bestandteil beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung kann vielmehr alternativ auf andere Motorbestandteile angewendet sein, wie etwa einen Abgaskrümmer oder nicht am Motor angebrachte Bestandteile.
Der Bestandteil 20 ist aus zwei getrennten Abschnitten gebildet, einem ersten Abschnitt oder einem oberer. Teil 30 und einem zweiten Abschnitt oder einem unteren Teil 32 (wie in Fig. 4 gezeigt). Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Abschnitt 30 und dem zweiten Abschnitt 32 um Kunststoffspritzgussschalen. Der erste Abschnitt 30 und der zweite Abschnitt 32 sind bevorzugt unter Verwendung einer Vibrationsschweißtechnik miteinander verschweißt. Andere Verbindungstechniken können auch verwendet werden, um den ersten Abschnitt 30 mit dem zweiten Abschnitt 32 zu vereinigen. Alternativ kann der Bestandteil 20 als einziges integrales Teil gebildet sein. Bevorzugt ist der Bestandteil 20 aus Kunststoffverbundstoffmaterial gebildet. Bevorzugt ist das Kunststoffverbundstoffmaterial ausgewählt aus Nylon 6, zu 30% mit Glas gefüllt, Nylon 6, zu 33% mit Glas gefüllt, Nylon 6,6, zu 30% mit Glas gefüllt, Nylon 6,6, zu 33% mit Glas gefüllt, oder Nylon 6,6, zu 35% mit Glas gefüllt. Alternativ können auch andere Verbundstoffmaterialien zum Einsatz gelangen.
Um das Geräusch zu dämpfen, das von dem Bestandteil 20 ausgestrahlt wird, ist die Außenseite 24, wie in Fig. 3 gezeigt, mit einer Dämpfungsschicht 34 beschichtet bzw. überzogen. Die Dämpfungsschicht 34 ist gleichmäßig auf die Außenfläche 24 des Bestandteils aufgetragen. Bevorzugt sind sowohl die Außenfläche 24 des ersten Abschnitts 30 wie der zweite Abschnitt 32 mit der Dämpfungsschicht 34 beschichtet. Wie der Name sagt, dient die Dämpfungsschicht 34 dazu, Geräusch deutlich zu dämpfen, das von dem Bestandteil 20 ausgestrahlt wird.
Wie in Fig. 4 gezeigt, ist die Dämpfungsschicht 34 selektiv auf die Außenseite 24 derart aufgetragen bzw. aufgebracht, dass bestimmte Flächenteile der Außenseite 24 keine Dämpfungsschicht 34 aufweisen. Um die Dämpfungsschicht 34 auf die Außenseite 24 selektiv aufzubringen, werden Teile der Außenseite 24 mit einer Maske 27 abgedeckt. Bei der Maske 27 handelt es sich um ein wiedernutzbares Abdeckmaterial, das verhindert, dass die Dämpfungsschicht 34 auf die gewünschte Fläche aufgebracht wird. Es ist bevorzugt, dass der Flansch 26 und die Durchbrüche 28 mit der Maske 27 abgedeckt werden, bevor die Dämpfungsschicht 34 auf die Außenseite 24 des Bestandteils 20 aufgebracht wird.
Die Dämpfungsschicht 34 wird bevorzugt aufgebracht unter Verwendung eines thermischen Sprühgussprozesses. Kurz gesagt besteht dieser Prozess darin, einen Herstellungsprozess zum Auftragen einer Beschichtung bzw. zum Beschichten aus Material auf ein Substrat zu vereinfachen, um Eigenschaften zu erzielen, die durch die Wahl des Basismaterials alleine nicht erreichbar sind. Der Prozess umfasst das Erhitzen des gewünschten Beschichtungsmaterials, das verwendet wird, um die Dämpfungsschicht 34 zu bilden, bis sie geschmolzen ist.
Die zerstäubten bzw. atomisierten geschmolzener. Metallpartikel, die bevorzugt einen Durchmesser von 0,1 mm bis 0,4 mm aufweisen, werden daraufhin durch die Luft durch Luftdruck oder andere Mittel übertragen. Die schwebenden Partikel treffen auf die Außenseite 24 des Bestandteils 20 und binden das Material rigoros an die Außenseite 24. Das Binden bzw. Verbinden der thermisch aufgesprühten Überzüge bzw. Beschichtungen erfolgt hauptsächlich durch eine mechanische Verblockung zwischen den zerstäubten Partikeln und der Außenseite 24.
Wenn Metalle auf Konstruktionsthermokunststoffe aufgetragen werden, wird der Kunststoff, in diesem Fall die Außenseite 24, geschmolzen und rekristallisiert mit einer aggressiven mechanischen Bindung.
Die Dämpfungsschicht 34 ist bevorzugt ein Metallüberzug, von dem das Metall ausgewählt ist aus einer Gruppe, die aus Zink und Aluminium besteht. Bevorzugt ist die Außenseite 24 des ersten Abschnitts 30 und des zweiten Abschnitts 32 mit der Dämpfungsschicht 34 abgedeckt, die aus demselben Material besteht. Alternativ kann eine Dämpfungsschicht, gebildet aus einem anderen Metall, auf die Außenseite 24 des ersten Abschnitts 30 und des zweiten Abschnitts 32 aufgebracht sein. Bevorzugt weist das Metall keine hohe Schmelztemperatur auf, so dass auf der Außenseite 24 des Bestandteils 20 keine übermäßige Verformung auftritt. Warn beispielsweise der Bestandteil aus Nylon 6, zu 33% mit Glas gefüllt, besteht, besitzt der Bestandteil 20 typischerweise eine Schmelztemperatur von 215°C. In diesen Fällen ist die Dämpfungsschicht 34 aas Zink gebildet im Gegensatz zu Aluminium, weil Zink eine Schmelztemperatur von 420°C aufweist. Alternativ können andere Metalltypen thermisch gesprüht werden, um die Dämpfungsschicht 34 zu bilden. Mehr als ein Metall kann außerdem gleichzeitig versprüht werden, um die Dämpfungsschicht 34 zu bilden. Bevorzugt liegt die Dicke der Dämpfungsschicht 34 im Bereich von etwa 0,5 mm bis 4,0 mm.
Wie in Fig. 5 gezeigt, wurde der Übertragungsverlust (auch als Durchgangsdämpfung bezeichne) des Bestandteils 20 unter Verwendung von Grundregeln der Akustik gemessen, als Massengesetz bezeichnet. Dieses Gesetz legt fest, dass die meisten Platten, wenn sie in geeigneter Weise konstruiert sind, Geräusch nahezu äquivalent zum Inversen ihrer Materialdichte durchlassen. Das Gesetz legt im Wesentlichen fest, dass, je dicker das Teil ist, desto geringer ist die Geräuschdurchläs- sigkeit. Wie in der Kurve von Fig. 5 gezeigt, besitzt ein Bestandteil 20 mit einem 1 mm dicken Überzug aus einer Dämpfungsschicht 34, hergestellt aus Zink (mit der Bezugsziffer 40 bezeichnet), einen größeren Durchlässigkeitsverlust als der Bestandteil 20 mit einer 4 mm dicken Dämpfungsschicht 34, hergestellt aus Aluminium (mit der Bezugsziffer 42 bezeichnet).
Um die NVH-Eigenschaften des Bestandteils 20 zu testen, wurde der Test durchgeführt zum Messen des von dem Bestandteil 20 ausgestrahlten Geräusches. Der Test wurde durchgeführt in einer halb schalltoten Kammer zum Beseitigen von Hintergrundgeräusch. Strömungegeräusch wurde durch jeden Satz aus Bestandteilen 20 geleitet, um Hochfrequenzoszillationen im Innern von jedem Teil auszulösen. Ein Mikrofon wurde unter einer Distanz von 100 mm von der Oberfläche des Teils angeordnet und Aufzeichnungen wurden für die folgenden Bestandteile vorgenommen: Aluminiumkomponente, Nylon 6, zu 33% mit Glas gefüllt, beschichtungsfrei, und Nylon 6, zu 33% mit Glas gefüllt, mit einer 4 mm Beschichtung aus einer Aluminiumdämpfungsschicht 34.
Die Testergebnisse sind in Fig. 6 und 7 gezeigt. Wie in Fig. 6 gezeigt, besitzt Nylon 6, zu 33% mit Glas gefüllt, einen höheren Abstrahlungsgeräuschpegel (bezeichnet mit der Bezugsziffer 44) als die Aluminiumkomponente (bezeichnet mit. der Bezugsziffer 46), und zwar über das ganze Frequenzspektrum. In Fig. 5 ist das Abstrahlungsgeräusch jedoch deutlich verringert, wenn Nylon 6, zu 33% mit Glas gefül lt, verglichen wird mit Nylon 6, zu 33% mit Glas gefüllt, und aufweisend eine Dämpfungsschicht 34 (mit der Bezugsziffer 48 bezeichnet).
Aus Verstehendem geht hervor, dass die vorliegende Erfindung das selektive Aufbringen der Dämpfungsschicht 34 auf der Außenseite des Bestandteils 20 derart vorsieht, dass der Bestandteil verbesserte NVH-Eigenschaften besitzt.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert, ohne herauf beschränkt zu sein. Vielmehr sind diese Ausführungsformen zahlreichen Abwandlungen und Modifikationen zugänglich, die sämtliche im Umfang der anliegenden Ansprüche liegen.

Claims

1. Bestandteil für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, aufweisend verringerte NVH-Eigenschaften, wobei der Bestandteil aufweist:
Eine mit Kunststoffverbundmaterial gebildete Schale, die eine Einlassöffnung, eine Auslassöffnung, eine Außenseite und eine Innenseite festlegt, wobei die Innenseite einen inneren Hohlraum festlegt, um einen Luftdurchlass zum Verbrennungsmotor zuzulassen, und
eine Dämpfungsschicht, die auf der Außenseite angeordnet ist und das von dem Bestandteil ausgestrahlte Geräusch deutlich dämpft.

2. Bestandteil nach Anspruch 1, wobei die Schale einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und einen Flanschabschnitt aufweist, der sich von der Außenseite des Bestandteils erstreckt, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt am Flanschabschnitt mit Hilfe von Befestigungselementen vereinigt sind, um den Bestandteil zu bilden.

3. Bestandteil nach Anspruch 2, wobei der Flanschabschnitt eine Dämpfungsschicht aufweist.

4. Bestandteil nach Anspruch 1, wobei das Verbundstoffkunststoffmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Folgendem besteht: Nylon 6, zu 30% mit Glas gefüllt, Nylon 6, zu 33% mit Glas gefüllt, Nylon 6,6, zu 30% mit Glas gefüllt, Nylon 6,6, zu 33% mit Glas gefüllt, und Nylon 6,6, zu 35% mit Glas gefüllt.

5. Bestandteil nach Anspruch 1, wobei die Dämpfungsschicht ein Metallüberzug ist, wobei der Metallüberzug aus einem Metall gebildet ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Zink und Aluminium besteht.

6. Bestandteil nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Dämpfungsschicht im Bereich von 0,5 mm bis 4,0 mm liegt.

7. Bestandteil nach Anspruch 1, wobei die Einlassöffnung mit einer Drosselkammer verbindbar ist, wobei die Auslassöffnung mit einem Ansaugkrümmer des Verbrennungsmotors verbindbar ist.

8. Verfahren zum Herstellen eines Bestandteils für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug, aufweisend verringerte NVH-Eigenschaften, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Bereitstellen einer Schale, die eine Einlassöffnung, eine Auslassöffnung, eine Außenseite und eine Innenseite festlegt,
Bilden der Schale aus einem Kunststoffverbundstoffmaterial,
Maskieren eines Teils der Außenseite derart, dass die Außenseite einen unmaskierten Teil festlegt, und
Aufbringen einer Dämpfungsschicht auf dem nicht maskierten Teil zum Dämpfen von Geräusch, das von dem Bestandteil ausgestrahlt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bereitstellen der Schale das Bereitstellen der Schale mit einem ersten Abschnitt, einem zweiten Abschnitt und einem Flanschabschnitt enthält, der sich ausgehend von der Außenseite des Bestandteils erstreckt, außerdem aufweisend den Schritt, den ersten Abschnitt mit dem zweiten Abschnitt an dem Flanschabschnitt mit Hilfe eines Befestigungselements zu vereinigen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, außerdem aufweisend den Schritt, den Flanschabschnitt derart zu maskieren, dass er frei von der Dämpfungsschicht ist.

11. Verfahren nach Anspruch 8, außerdem aufweisend das Auswählen des Kunststoffverbundstoffmaterials aus einer Gruppe, aufweisend: Nylon 6, zu 30% mit Glas gefüllt, Nylon 6, zu 33% mit Glas gefüllt, Nylon 6,6, zu 30% mit Glas gefüllt, Nylon 6,6, zu 33% mit Glas gefüllt, und Nylon 6,6, zu 35% mit Glas gefüllt.

12. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Aufbringen der Dämpfungsschicht das Beschichten der Außenseite mit einem Metallmaterial umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe; die aus Zink und Aluminium besteht.

13. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Aufbringen der Dämpfungsschicht das Aufbringen der Dämpfungsschicht mit einer Dicke Bereich von 0,5 mm bis 4,0 mm umfasst.

14. Verfahren nach Anspruch 8, außerdem aufweisend den Schritt, die Einlassöffnung mit einer Drosselkammer zu verbinden und die Auslassöffnung mit einem (Ansaug-) krümmer des Verbrennungsmotors zu verbinden.