DE19935335A1 - Umkapselung für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Umkapselung für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Umkapselung temperaturstabiler Polyurethanhartschaum verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Umkapselung aus Polyurethan für Ver­ brennungsmotoren.

Beim Betrieb von Verbrennungsmotoren wird Wärme erzeugt. So wie es notwendig ist, eine Überhitzung und damit eine Zerstörung des Motors zu verhindern, ist es andererseits sinnvoll, wenn der Motor nach dem Start schnell die Betriebstemperatur erreicht. Bei Betrieb des kalten Motors kommt es zu einem erhöhten Verschleiß des Motors, weiterhin ist der Kraftstoffverbrauch bei kalten Motor deutlich höher als bei Betriebstemperatur, die Emission von Schadstoffen ist höher, und auch die Heizleistung des Kraftfahr­ zeugs ist bei kaltem Motor unzureichend. Besonders störend macht sich dies bemerkbar, wenn häufig hintereinander kurze Strecken gefahren werden. Dabei kommt es zwischen den Fahrten zu einer Abkühlung des Motors, und die gefahrene Strecke reicht häufig nicht aus, den Motor auf Betriebstemperatur zu bringen. In diesen Fällen ist der Motorverschleiß extrem hoch, und der Kraftstoff­ verbrauch ist inakzeptabel.

Um diesem Mangel abzuhelfen, werden häufig im Motorenraum soge­ nannte Latentwärmespeicher angebracht. Diese sind allerdings teuer und stellen ein zusätzliches Bauteil dar, welches das Gewicht des Fahrzeugs erhöhen. Aus DE-A-196 43 818 sind mehr­ schichtige Schaumstoffelemente aus Polyurethanschaum, ins- besondere Polyurethan-Weichschaum, und Melamin-Formaldehydschaum beschrieben, die sowohl der Schalldämmung als auch der Wärmeiso­ lierung dienen. Derartige Verbundelemente können jedoch, ins­ besondere auf Grund der schlechten mechanischen Eigenschaften des Melamin-Formaldehydschaums, nur sehr bedingt zur Verkapselung von 1 Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Insbesondere ist es unmög­ lich, komplizierte Raumformen aus diesen Verbundelementen herzu­ stellen. Da sich die Verbundelemente stets in einiger Entfernung des Motors befinden, ist auch keine optimale Schalldämmung mög­ lich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine komplette Umkapselung des gesamten Motorengehäuses von Verbrennungsmotoren, gegebenenfalls einschließlich der Nebenaggregate, mit dem Ziel einer Verbesserung des Betriebsverhaltens des Motors, ins­ besondere eines optimalen Kaltstartverhaltens, sowie einer ver­ besserten Schalldämmung zu erreichen.

Die Aufgabe konnte überraschenderweise gelöst werden durch eine Umkapselung von Verbrennungsmotoren mittels Polyurethanschaum, vorzugsweise mittels temperaturstabilem Polyurethanhartschaum.

Gegenstand der Erfindung ist demzufolge eine Umkapselung für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Umkapselung Polyurethanschaum, vorzugsweise temperatur­ stabiler Polyurethanhartschaum verwendet wird.

Es ist hierbei möglich, den Motor ganz oder teilweise sowie nur den Motor oder den Motor gemeinsam mit den Nebenaggregaten zu verkapseln.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die erfindungsgemäße Umkapselung von Verbrennungsmotoren stoff­ schlüssig mit dem Motorblock verbunden sein. Das kann beispiels­ weise durch direktes Anschäumen des Polyurethanhartschaums an das Motorgehäuse geschehen. Dabei kann entweder nur das Motorgehäuse oder aber auch das Motorgehäuse und die Zusatzaggregate umschäumt werden. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in einer voll­ ständigen Abdichtung des Motorgehäuses, was zu einer sehr guten Wärme- und insbesondere Schallisolierung führt. Außerdem ist dieses Verfahren sehr leicht durchführbar, da nur die flüssigen Schaumkomponenten auf die Motoroberfläche aufgebracht werden müssen und keine separate Formgebung und Anpassung der Umkapse­ lung erfolgen muß. Nachteilig ist jedoch, daß bei Arbeiten am Motor die Umkapselung entfernt werden muß, was in jedem Fall mit ihrer Zerstörung verbunden ist.

Eine weitere Möglichkeit der stoffschlüssigen Umkapselung der Motoren kann darin bestehen, die in einem Stück oder in mehreren Teilen herstellt, vorzugsweise als Formkörper, und diese dann mit dem Motorgehäuse verklebt. Auch dabei kann einer vollständigen Abdichtung des Motorgehäuses mit den oben erwähnten Vorteilen erreicht werden. Nachteilig ist, daß zunächst die Formkörper her­ gestellt und diese danach in einem separaten Arbeitsschritt mit dem Motorgehäuse verbunden werden müssen. Gegenüber dem direkten Anschäumen hat dieses Verfahren den Vorteil, daß bei Arbeiten am Motor die Umkapselung gegebenenfalls durch lösen der Verklebung entfernt und anschließend wieder aufgebracht werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Umkapselung als selbsttragende Einheit gestaltet werden. Dabei können Formteile aus Polyurethanschaum hergestellt und diese um den Motor angebracht werden. Auch hier ist es wiederum möglich, die Verkapselung als ein Teil oder in Form von mehreren Teilen auszugestalten. Außerdem kann wiederum nur der Motor ganz oder teilweise oder der Motor einschließlich der Nebenaggregate umkapselt werden. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der einfachen Demontage der Umkapselung bei Wartungs- oder Reparatur­ arbeiten am Motor und der möglichen Wiederverwendung der Umkapse­ lung. Nachteilig gegenüber der direkten Verschäumung des Motors ist der höhere Aufwand bei der Herstellung und Anbringung der Umkapselung. Außerdem kann es beim Betrieb des Motors zu einer Lockerung der Umkapselung und damit zu einer möglichen Ver­ schlechterung der Wärme- und Geräuschdämmung des Motors kommen.

Besonders vorteilhaft ist auch hier die Ausgestaltung der Um­ kapselung aus mehreren Einzelteilen, um Reparatur- und Wartungs­ arbeiten am Motor zu vereinfachen.

Die selbsttragenden Einheiten können, wie ausgeführt, als Form­ teile aus Polyurethan-Hartschaum ausgestaltet sein. In einer wei­ teren Ausführungsform der Erfindung können die selbsttragenden Einheiten auch als Verbundelemente ausgestaltet sein.

So ist es möglich, die dem Motor abgewandte Seite mit einer stabilen Schale aus Kunststoff zu versehen, um die mechanische Festigkeit der Umkapselung zu verbessern. Als Kunststoffe zur Herstellung dieser Schale können beispielsweise Polyolefine, Polystyrol, Polyamid oder Polycarbonate verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich und im Interesse der Recyclingfähigkeit vor­ teilhaft, kompakte Polyurethane, beispielsweise PU-RIM, zur Her­ stellung dieser Schale einzusetzen. Die zur Herstellung der Schale eingesetzten Kunststoffe können auch Verstärkungsmittel, beispielsweise Glasfasern, enthalten.

Die dem Motor zugewandte Seite kann eine Schicht aus mindestens einem weiteren temperaturstabilen Material enthalten. Dabei kön­ nen anorganische Stoffe, beispielsweise Mineralfasern, ebenso verwendet werden wie organische Materialien, insbesondere Schaum­ stoffe, wie zum Beispiel Melamin-Formaldehydschaum. Es ist auch möglich, Verbundelemente aus mehreren Polyurethanschäumen einzu­ setzen, wobei sich der für die dem Motor abgewandte Seite verwen­ dete Polyurethanschaum durch besondere mechanische Festigkeit und der für die dem Motor zugewandte Seite verwendete Polyurethan­ schaum durch besondere thermische Stabilität auszeichnen sollte.

Die Verbundelemente können auch mindestens eine Schicht enthal­ ten, die der Körperschalldämmung dient. Beispiele hierfür sind Polyurethane mit speziellen Füllstoffen, beispielsweise Schwer­ spat. Nach Möglichkeit werden diese Schichten in der Mitte oder an der dem Motor abgewandten Seite des Verbundelementes Ange­ bracht, da sie zumeist nicht temperaturbeständig sind. In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn die äußere Kunststoffschale eine Dicke von 0,5 bis 5,0 mm, die Schicht zur Wärmedämmung eine mitt­ lere Dicke von 5,0 bis 70 mm und die Schicht zur Körperschalldäm­ mung eine Dicke von 0,5 bis 10 mm aufweist.

Zum Schutz gegen aggressive Flüssigkeiten, wie Kraftstoff, Motorenöl, Bremsflüssigkeit oder Frostschutzmittel, kann die Innenseite der Umkapselung auch noch mit einer Metallschicht umgeben sein, beispielsweise mit einer dünnen Aluminiumschicht. Dies führt darüber hinaus noch zu einer zusätzlichen Reflexion der Wärmestrahlung. Außerdem kann die äußere Oberfläche noch dekorativ gestaltet werden.

Die zur erfindungsgemäßen Umkapselung von Verbrennungsmotoren eingesetzte Polyurethanschäume müssen sich, wie ausgeführt, durch eine hohe Temperaturstabilität auszeichnen. Sie müssen eine Dauertemperatur von mindestens 140°C, vorzugsweise 150°C und besonders bevorzugt 180°C, bevorzugt über einen Zeitraum von 10 bis 20 Jahre ohne Beeinträchtigung überstehen.

Die Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Polyurethan­ schäume erfolgt durch Umsetzung von Polyisocyanaten mit Verbindungen mit mindestens zwei mit Isocyanatgruppen reaktiven Wasserstoffatomen. Zur Herstellung der vorzugsweise eingesetzten temperaturstabilen Polyurethanhartschäume werden vorzugsweise folgende Einsatzkomponenten verwendet:
Als Polyisocyanate kommen üblicherweise aliphatische und/oder aromatische Polyisocyanate zum Einsatz, wobei vorzugsweise aroma­ tische Polyisocyanate verwendet werden. Die größte technische Be­ deutung haben dabei Toluylendiisocyanat-Isomere und insbesondere Diphenylmethandiisocyanat-Isomere. Vorzugsweise eingesetzt werden jedoch Gemische aus Diphenylmethandiisocyanaten und Polyphenylen- Polymethylen-Polyisocyanaten, sogenanntes Roh-MDI. Als Polyiso­ cyanate können auch sogenannte modifizierte Polyisocyanate einge­ setzt werden, das heißt Polyisocyanate, die durch den Einbau von beispielsweise Urethan-, Allophanat- oder Isocyanuratgruppen modifiziert wurden. Für den Einsatz in temperaturstabilen Poly­ urethanhartschäumen haben mit Isocyanuratgruppen modifizierte Polyisocyanate besondere Bedeutung, die daraus hergestellten Hartschaumstoffe werden häufig auch als Polyisocyanuratschäume (PIR-Schäume) bezeichnet.

Als Verbindungen mit mindestens zwei mit Isocyanatgruppen reak­ tiven Wasserstoffatomen werden zumeist Polyetheralkohole und/oder Polyesteralkohole eingesetzt mit Molekulargewichten von größer 400 bis 20000 Da.

Bei den Polyesteralkoholen handelt es sich um Umsetzungsprodukte von mehrfunktionellen Carbonsäuren mit mehrfunktionellen Alko­ holen. In der Praxis werden zumeist difunktionelle Carbonsäuren und difunktionelle Alkohole, denen geringe Mengen höher-, zumeist dreifunktioneller Alkohole zugesetzt werden können. Zur Herstel­ lung der erfindungsgemäß verwendeten Polyurethanschäume kommen vorzugsweise Polyesteralkohole zum Einsatz, die aromatische Strukturen enthalten. Vorzugsweise werden Polyesteralkohole bei der Herstellung von Polyisocyanuratschäumen eingesetzt.

Vorzugsweise werden zur Herstellung der erfindungsgemäß verwende­ ten Polyurethane Polyetheralkohole eingesetzt. Die Herstellung der Polyetheralkohole erfolgt zumeist durch katalytische Anlage­ rung von Alkylenoxiden, insbesondere Ethylenoxid und/oder Propylenoxid, an H-funktionelle Startsubstanzen. Als Start­ substanzen kommen zumeist mehrfunktionelle Alkohole, beispiels­ weise Glykole, Glycerin, Trimethylolpropan, Pentaerythrit, oder Zuckeralkohole, wie Mannit, Sorbit, Saccharose, mehrfunktionelle aliphatische und/oder aromatische Amine und/oder Aminoalkohole, wie Ethylendiamin, Ethanolamin, Toluylendiamin, Diphenylmethandi­ amin bzw. Gemische aus Diphenylmethandiamin und Polymethylenpoly­ phenylenpolyamin, oder H-funktionelle Mannich-Kondensate zum Ein­ satz.

Zu den Verbindungen mit mindestens zwei mit Isocyanatgruppen reaktiven Wasserstoffatomen gehören auch die sogenannten Ketten­ verlängerer und/oder Vernetzer. Dabei handelt es sich um Alkohole und/oder Amine mit Molekulargewichten von 62 bis 400.

Zur Herstellung der erfindungsgemäß verwendeten Polyurethane ist es vorteilhaft, wenn zumindest ein Teil der Verbindungen mit mindestens zwei mit Isocyanatgruppen reaktiven Wasserstoffatomen aromatische Strukturen enthält. Besonders bewährt haben sich solche Polyurethan-Hartschäume, bei denen 10 bis 20 Gew-. % der Verbindungen mit mindestens zwei mit Isocyanatgruppen reaktiven Wasserstoffatomen ein Polyetheralkohol auf Basis von aromatischen Aminen, insbesondere Toluylendiamin, besteht.

Die Polyurethan-Hartschaumstoffe werden zumeist unter Verwendung von üblichen Urethanbildungskatalysatoren, beispielsweise tertiä­ ren Aminen oder organischen und/oder anorganischen Schwermetall­ salzen, hergestellt.

Als Treibmittel werden Wasser und/oder bekannte physikalische Treibmittel, beispielsweise Alkane, Cycloalkane, halogenierte Alkane, Ketone, oder andere Stoffe, die bei der Urethanbildungs­ reaktion verdampfen, eingesetzt. Es ist auch möglich, den flüssi­ gen Urethanbildungskomponenten Gase, beispielsweise Kohlendioxid, zuzusetzen.

Die erfindungsgemäß eingesetzten Polyurethan-Schaumstoffe haben vorzugsweise eine Rohdichte im Bereich zwischen 40 und 200 g/l, insbesondere zwischen 60 und 120 g/l. Die Wärmeleitfähigkeit liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,010 und 0,050 W/m * K. Sie sind bis zu einer Dauergebrauchstemperatur von 140°C, insbesondere von 150°C und vorzugsweise von 180°C temperaturstabil.

Die erfindungsgemäße Umkapselung von Verbrennungsmotoren hat neben den beschriebenen Vorteilen der gleichmäßigen Motorwärme noch weitere Vorteile. So kann die Schallemission der Verbren­ nungsmotoren gegenüber bekannten Maßnahmen gesenkt werden, da sich die Umkapselung direkt am Motor befindet. So kann beispiels­ weise auf eine separaten Schalldämmung der Motorhaube, der Motor­ rauminnenseiten und der Trennwand zur Fahrgastzelle verzichtet werden, was eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts zur Folge hat.

Ein weiterer Vorteil ist eine im Vergleich zu nicht umkapselten Verbrennungsmotoren glattere Kontur des Motors, was eine Reini­ gung des Motorenraumes erleichtert.

Die Umkapselung ist für alle Arten für Verbrennungsmotoren ein­ setzbar.

Claims (11)

1. Umkapselung für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Umkapselung Polyurethanschaum verwendet wird.

2. Umkapselung für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Umkapselung Polyurethanhartschaum verwendet wird.

3. Umkapselung für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyurethanschaum temperaturstabiler Polyurethanhartschaum ist.

4. Umkapselung für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturstabile Polyurethanhart­ schaum bis zu einer Dauertemperatur von 140°C temperatur­ stabil ist.

5. Umkapselung für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturstabile Polyurethanhart­ schaum bis zu einer Dauertemperatur von 150°C temperatur­ stabil ist.

6. Umkapselung für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturstabile Polyurethanhart­ schaum bis zu einer Dauertemperatur von 180°C temperatur­ stabil ist.

7. Umkapselung für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturstabile Polyurethanhart­ schaum eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,010 und 0,050 W/m * K aufweist.

8. Umkapselung für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyurethanschaum direkt an den Motor angeschäumt wird.

9. Umkapselung für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyurethanschaum ein selbsttragender Formkörper ist.

10. Umkapselung für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umkapselung ein selbsttragender Ver­ bundkörper ist.

11. Umkapselung für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundkörper aus einer dem Motorraum abgewandten Schicht aus einem Kunststoff und einer dem Motor­ raum zugewandten Seite aus temperaturstabilem Polyurethan­ hartschaum besteht.