DE4300817A1 - Heat shield for internal combustion engines in motor vehicles - has indentations around screw openings in outer metal cover plate - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Hitzeschild, wie insbesondere ein Hitzeschild für Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen, aus einem Laminat aus zwei metallischen Deckblechen und einer Kernplatte aus Isoliermaterial.

Moderne Verbrennungskraftmaschinen besitzen zur Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrades hohe Betriebstemperaturen. Der hohe thermodynamische Wirkungsgrad reduziert den Kraftstoffverbrauch. Allerdings sind dafür die hohen Betriebstemperaturen die Ursache von groben Schwierigkeiten bei der Konstruktion und beim Betrieb des Kraftfahrzeuges. Die Verbrennungstemperatur des Kraftstoffes im Zylinder erreicht die Schmelztemperatur des Platin, und das Verbrennungsgas kann sogar noch eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Aluminium besitzen. Eine sorgfältige Wärmeführung ist daher erforderlich, um sicherzustellen, daß die Maschinenteile unter Hochtemperaturbelastung eine lange Lebensdauer besitzen.

In zunehmendem Maße werden daher in modernen Fahrzeugen Hitzeschilder zur Wärmeführung verwendet.

Da naturgemäß Wärmeführungsprobleme von Kraftfahrzeugtyp zu Kraftfahrzeugtyp, abhängig von vielen Faktoren, wie Leistung und Konstruktion des Motors, die Anordnung der Teile unter der Motorhaube, die Anfälligkeit der Teile gegenüber hohen Temperaturen bei der Luftführung unter der Motorhaube und so weiter, verschieden sind, variiert auch die optimale Form der Hitzeschilder für eine optimale Abschirmwirkung von Modell zu Modell.

Nach der DE-OS 40 36 261 sind Hitzeschilder zur Vermeidung von Dampfblasenbildungen bekannt, die Kraftstoffleitungen vor der Motorhitze so abschirmen, daß die Möglichkeit des Verdampfens des Kraftstoffes vor Erreichen der Kraftstoffeinspritzdüse verringert wird. Das Hitzeschild besteht aus einer aus Metallblech ausgestanzten Grundplatte, deren Seitenflächen unter Bildung einer Schale aufgebogen sind. In diese Schale ist eine Isolierplatte aus einem Keramikfaservlies eingelegt, welche aus Keramikfaservliesmaterial deckungsgleich zur Grundplatte ausgestanzt ist. Auf diese Isolierplatte ist eine äußere Blechplatte gelegt, und zur Befestigung der Platten untereinander werden die aufgebogenen Seitenflächen der Grundplatte umgebogen.

Das so gebildete flache Zwischenprodukt wird dann mit einer oder mehreren mit Formwerkzeugen ausgerüsteten Prägepressen mehrfach zur Erzielung der gewünschten Form umgebogen und mit Befestigungselementen versehen, über die dann das Hitzeschild im Motorraum befestigt werden kann.

Das beschriebene Hitzeschild reduziert zwar die Gefahr von Dampfblasenbildungen; Versuche zeigen aber, daß es nicht ausreichend stabil für alle Anwendungsfälle ist. Das Hitzeschild ist flexibel und erfordert eine aufwendige Montage; mit den am Hitzeschild angebrachten Befestigungselementen konnte das Hitzeschild nicht mit der geforderten Sicherheit befestigt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Hitzeschild gemäß Oberbegriff des Hauptpatentanspruches zu schaffen, welches einfach und wirtschaftlich herstellbar, welches stabil und verformungssteif, und welches bei gegebenenfalls verbesserten Isoliereigenschaften betriebssicher zu befestigen ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Hitzeschild gelöst, dessen erste metallische Deckplatte im Bereich mindestens einer der Schraubenöffnungen eingeprägte Vertiefungen aufweist, dessen Deckbleche im Kantenbereich durch Aufrollen der Randzonen miteinander verbunden sind, und dessen zweite metallische Deckplatte eine Vielzahl untereinander benachbarter eingeprägter Rippen besitzt.

Obwohl für die beiden Metalldeckplatten sehr dünne Bleche mit Blechdicken unter 0,5 mm, bevorzugt aber unter 0,25 mm und gegebenenfalls bei zumindest einem der Bleche sogar unter 0,15 mm, verwendet werden, um vor allem ein gewichtssparendes Hitzeschild herzustellen, ist das an sich aus flexiblen Blechen bestehende Hitzeschild verformungssteif und stabil, und es kann sich nicht mehr nach der Montage bei mechanischen Belastungen im motorischen Betrieb verformen und dadurch unbrauchbar werden. Sowohl die eingeprägten Vertiefungen als auch die ineinandergerollten Kantenbereiche und die eingeprägten Rippen versteifen die an sich dünnen und dadurch flexiblen Bleche zur erforderlichen Verformungssteifigkeit und Stabilität.

Das zwischen den beiden Deckplatten angeordnete Isoliermaterial besteht bevorzugt aus einem Keramikfaservliesmaterial. Da jetzt durch die in das eine Deckblech eingeprägten Rippen eine Reihe von nebeneinanderliegenden und voneinander abgetrennten Kammern entstanden ist, genügt es, aus dem Keramikfasermaterial Isolierstreifen entsprechend herzustellen und in die gebildeten Räume einzulegen.

Im Sinne der Erfindung können aber auch nur einige gebildete Kammern mit Keramikfaservliesmaterial gefüllt werden, während die anderen Räume ungefüllt bleiben oder ein weniger stark isolierendes und preiswerteres Material enthalten. Auf diese Weise kann nicht nur teures Keramikfaservliesmaterial und Gewicht eingespart werden, sondern es ist auch möglich, den Wärmefluß im Hitzeschild gezielt zu steuern, so daß insbesondere die von einem Abgasrohr ausstrahlende Wärme von den weniger stark isolierenden Hitzeschildbereichen nach außen abgeführt wird und das Abgasrohr selbst vor Überhitzungen bei extremen Belastungen mit möglichen Rißbildungen geschützt ist.

Im Sinne der Erfindung kann das Hitzeschild aus dem Laminat mit einer Kernplatte aus Isoliermaterial und den beiden aufliegenden metallischen Deckplatten zur Versteifung auch Beschläge aus verformungssteifem Material, wie insbesondere Metall, besitzen. Solche Beschläge können dann das Laminat vor allem an Hitzeschildrändern als Klammern zusammenhalten und/oder in den Schraubenöffnungen als Ösen angeordnet sein. Die Beschläge selbst können zusätzlich mit einem Schenkel die Befestigungsarme des Hitzeschildes an den entsprechenden Bauteilen der Verbrennungskraftmaschine bilden. Dabei können die Beschläge alleine oder in Kombination mit den bereits geschilderten Maßnahmen der Versteifung des Hitzeschildes dienen.

Durch die Erfindung ist somit ein Hitzeschild geschaffen, das verformungssteif, das einfach herzustellen, und das problemlos und betriebssicher an der Einbaustelle montierbar ist. Durch die Verwendung dünner Metallbleche und möglichst weniger Isoliermaterialien ist das Hitzeschild leicht und belastet das Gewicht der Verbrennungskraftmaschine kaum.

Die Verformungssteifigkeit des Hitzeschildes erlaubt es, das Hitzeschild in der Serienproduktion bedarfsgerecht geformt herzustellen, so daß es relativ einfach ohne größeren Arbeitsaufwand montiert werden kann. Im Betrieb ist das erfindungsgemäße Hitzeschild betriebssicher vor Korrosion geschützt und ohne Gefahr von Zerstörungen bei Erschütterung im Fahrbetrieb mit langer Lebensdauer einsatzfähig.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Ausführungen der Erfindung sind in den sechs Abbildungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Aufsichtsbild auf die Außenfläche des Hitzeschildes entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ein Aufsichtsbild auf die Innenfläche des Hitzeschildes entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 ein Querschnittsbild in der Linie III-III von Fig. 1;

Fig. 4 ein Querschnittsbild in der Linie IV-IV von Fig. 1;

Fig. 5 ein Aufsichtsbild auf die Innenseite eines Hitzeschildes entsprechend einer zweiten Ausführung der Erfindung;

Fig. 6 ein Aufsichtsbild auf die Außenseite des Hitzeschildes entsprechend der zweiten Ausführung der Erfindung.

Die Abb. 1 bis 4 zeigen ein Hitzeschild (10) entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Hitzeschild (10) besitzt eine äußere Deckplatte (12) und eine innere Deckplatte (14). Die äußeren Kanten der Deckplatten (12, 14) sind bei (16) zur Verbindung miteinander am Umfang des Hitzeschildes (10) gerollt. Die aufgerollten Kanten (16) können am Unfang eingeschnitten sein, dort wo die aufgerollten Kanten (16) scharf gekrümmt sind. Rippen (18) sind in der inneren Deckplatte (14) gebildet, die das Innenteil des Hitzeschildes (10) in fünf Kammern (20) und vier Kammern (22) zwischen den Kammern (20) unterteilen.

Keramik-Faserisolierstreifen (24) sind in die Kammern (22) eingelegt, während die Kammern (20) lediglich Luft enthalten.

Die Deckplatten (12,14) bestehen aus Metallblech. Das Außenblech (12) besteht bevorzugt aus rostfreiem Stahl und besitzt eine Dicke von 0,15 mm. Das Innenblech (14) besteht bevorzugt aus aluminiumplattiertem Stahl und besitzt die gleiche Dicke (0,15 mm). Das Isolierplattenmaterial, aus dem die Isolierstreifen ausgeschnitten werden, ist im Handel erhältlich unter dem Handelsnamen "Fiberfrax" von der Firma Carborundum Company, Faser-Abteilung, 850 Stephenson Highway, Suite 320, Michigan 48083 (USA). Das Material ist flexibel und etwas porös und besitzt im nicht komprimierten Zustand eine Dicke von etwa 1/2 cm.

Das Hitzeschild (10) besitzt Befestigungslöcher (26, 28) in der Nachbarschaft zum äußeren Umfang. Da die Gesamtdicke der verbundenen Metallplatten im aufgerollten Umfangsbereich (16) etwa 0,6 mm beträgt (die Umfangsbereiche der beiden Deckplatten (12, 14) sind übereinander gelegt, obgleich dies zur Vereinfachung der Abbildungen nicht dargestellt ist, so daß die Gesamtdicke der Metallplatten im aufgerollten Umfangsbereich (16) das Vierfache der Metallplattendicke beträgt), ist es offensichtlich, daß die Anordnung der Befestigungslöcher (26, 28) in der Nachbarschaft zur aufgerollten Umfangsfläche (16) die Steifigkeit des Hitzeschildes (10) in der Nachbarschaft der Löcher (26, 28) verstärkt. Die die Rippen bildenden, abgeschrägten Bereiche (30, 32) erstrecken sich zu den Befestigungsöffnungen (26, 28), um das Hitzeschild zusätzlich zu festigen.

Das Hitzeschild (10) besitzt ebenso die von den aufgerollten Kanten (16) entfernt liegenden Befestigungsöffnungen (34, 36). Abgeschrägte Bereiche (38, 40) in der Form von tief eingeprägten Vertiefungen verstärken das Hitzeschild (10) in der Nachbarschaft zu den Befestigungsöffnungen (34, 36). Eine abgeschrägte Einpressung (42) zwischen den Befestigungsöffnungen (34, 36) verstärkt den Zentralbereich des Hitzeschildes (10).

Wie aus den Abb. 1 bis 4 ersichtlich, sind die Metallbleche (12, 14) in abgeschrägten Bereichen (30, 32 und 38 bis 42) verformt, wobei die Verformungen mehr im äußeren Deckblech (12) vorgenommen sind. Zur leichteren Herstellbarkeit der Abschrägungen der Verformungen im äußeren Deckblech (12) wird bemerkt, daß die minimale Breite (41) am Anfang der die Abschrägungen (38) bildenden Vertiefungen bevorzugt etwa viermal so lang ist wie die Tiefe (43), obgleich andere Verhältnisse der minimalen Breite zur Tiefe (beispielsweise im Bereich zwischen 2 : 1 bis 7 : 1) angewendet werden können. Das Metall des Deckbleches (12) berührt das Metall des Deckbleches (14) in ringförmigen Bereichen rund um die Öffnungen (26, 28, 34, 36).

Das Hitzeschild (10) wird zusammen mit einer Auspuffdichtung (nicht dargestellt) verwendet, welche vier angeschraubte abstehende Vorsprünge (nicht dargestellt) besitzt. Das Hitzeschild (10) wird mit dem inneren, zur Auspuffdichtung zeigenden Deckblech (14) und dem abgewandten Deckblech (12) an die Auspuffdichtung angeschraubt, indem man das Hitzeschild (10) so anordnet, daß die Vorsprünge durch die Befestigungsöffnungen (26, 28, 34, 36) ragen, und indem man dann Schraubengewinde (nicht dargestellt) an den Nuten befestigt.

Wie bereits erwähnt, enthalten die Kammern (22) Isolierstreifen (24) und die Kammern (20) nicht. Die Isolierstreifen (24) bilden zusätzlich eine Schallisolation, allerdings bewirkt die Luft in den Kammern (20) nur eine geringe Wärmeisolation. Beim Anschrauben des Hitzeschildes (10) in der bereits beschriebenen Weise an die Auspuffdichtung sind die Isolierstreifen (24) als "Brücken" (nicht dargestellt) der Auspuffdichtung im Bereich, wo die heißen Gase den Motor verlassen, angeordnet. Dadurch erhalten die heißesten Teile der Auspuffdichtung eine hochgradige thermische Abschirmung, während die kühleren Bereiche der Dichtung zwischen den Brücken eine geringere thermische Abschirmung erhalten. Der Einsatz von Isoliermaterial abwechselnd in den Kammern im Hitzeschild (10) reduziert nicht nur die Materialkosten an Keramikfaserisoliermaterial, sondern bewirkt auch eine bessere Wärmeverteilung auf der Auspuffdichtung, so daß dadurch die Neigung zu Auspuffdichtungsbrüchen durch thermisch erzeugte Spannungen unter extremen Betriebsbedingungen reduziert wird. Es kann zweckmäßig sein, daß man, abhängig vom Fahrzeugtyp, für den das Hitzeschild konstruiert ist, in einigen Fällen die Isolierstreifen (24) mit einem anderen Isoliermaterial kombiniert, anstelle daß man die Kammern (20) zur besseren Wärmeverteilung leer läßt.

Unabhängig davon, daß für die Deckbleche (12, 14) relativ dünnes Metallblech verwendet wird, ist das Hitzeschild steif und kann deshalb leichter als ein flexibles Hitzeschild montiert werden. Ein flexibles Hitzeschild muß in Handarbeit gebogen oder gestreckt werden, um die beste Montageposition zu erhalten, während ein verformungssteifes Hitzeschild diesen Nachteil nicht besitzt. Die Steifigkeit des Hitzeschildes (10) wird bewirkt durch die Rippen (18), die zusammengerollten Umfangsbereiche (16) und die verformten Bereiche (30, 32, 38, 40, 42).

Es wird zu den Fig. 1 bis 4 darauf hingewiesen, daß das Hitzeschild (10) einen kurvenförmig verlaufenden Außenumfang auch im Bereich der eingeprägten Bereiche (30, 32, 38, 40, 42) besitzt, und diese kurvenförmig verlaufenden Konturen verstärken zusätzlich die Steifigkeit des Hitzeschildes (10). Die typische Metallblechdicke von herkömmlichen Hitzeschildern liegt bei 1,00 mm, so daß bei der jetzt verwendeten Metallblechstärke von 0,15 mm zusammen mit den dargestellten Verstärkungsmaßnahmen das Gewicht des Hitzeschildes und die Materialkosten wesentlich verringert werden.

Obwohl nicht dargestellt, kann das Hitzeschild (10) folgendermaßen hergestellt werden:

Das äußere Deckblech (10) wird hergestellt durch Einlegen eines Metallbleches in eine Form unter Verwendung von Ziehringen, und ein Prägewerkzeug wird aufgepreßt zur Bildung der Endform. Ähnlich wird das innere Deckblech (14) unter Verwendung eines Ziehringes hergestellt, wobei das Blech nach Auflage auf die Form in einem Prägevorgang in die endgültige Form gebracht wird. Das innere Deckblech (14) wird dann mit aufwärts stehenden Rippen (18) auf den Grund einer Werkzeugvertiefung gelegt. Vier Isolierstreifen werden entsprechend zwischen die Rippen (18) gelegt, und das äußere Deckblech (12) wird aufgelegt. Anschließend werden durch einen Preßvorgang die Umfangsbereiche der Deckbleche (12, 14) aufgerollt und, falls notwendig, geprägt oder leicht verformt, so daß das Hitzeschild (10) seine Endform erhält. Danach wird das Hitzeschild aus dem Formwerkzeug genommen und zur Bildung der Befestigungslöcher (26, 28, 34, 38) gelocht.

Ein Hitzeschild (50) nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist in den Abb. 5 und 6 dargestellt. Das Hitzeschild (50) besitzt einen Befestigungsarm (52) aus Stahlblech (aluminiumplattierter Stahl) mit einer Dicke von 1,2 mm). Der Befestigungsarm (52) ist verbunden mit einem Trägerteil (56). Der Befestigungsarm (52) besitzt eine Öse (58) mit einem Befestigungsloch (62) und eine Öse (60) mit Befestigungsöffnung (64) als Beschlag.

Der Trägerteil (56) trägt einen leicht flexiblen Isolierstreifen (68). Der Isolierstreifen (68) besteht aus einem inneren Deckblech (70) und einem äußeren Deckblech (72), welches mit dem inneren Deckblech (70) durch aufgerollte Kanten (nicht dargestellt) verbunden ist, sowie einer Schicht aus Keramikfaserisoliermaterial (nicht dargestellt) zwischen den Deckblechen (70, 72). Der Isolierstreifen (60) kann hergestellt werden, indem man die Deckbleche (70, 72) aus 0,15 mm dickem rostfreiem Stahl ausstanzt, indem man die Innenschicht aus Keramikfaserisoliermaterial ausstanzt, indem man die Innenschicht zwischen die Deckbleche in eine Form legt, und indem man die Kanten der Deckbleche zusammenrollt und gleichzeitig der Innenschicht seine gebogene Form gibt.

Der Trägerarm (56) hat ein Fenster (74) und als Beschläge Kammern (76), die zur Sicherung des Isolierstreifens (68) und des Trägerteiles (56) übereinander gebogen sind. Der Trägerteil (56) ergibt die Steifigkeit des andererseits leicht flexiblen Isolierstreifens (68).

Das Hitzeschild (50) wird mit Schrauben (nicht dargestellt) am Lastkraftwagen (nicht dargestellt) befestigt, wobei die Schrauben sich durch das Loch (62) und das Loch (64) erstrecken. Der Trägerarm (56) hält den Isolierstreifen (58) zwischen der Auspuffdichtung (nicht dargestellt) und dem Bodenteil (nicht dargestellt) des Lastkraftwagens. Der Lastkraftwagen, für den das Hitzeschild (50) entworfen wurde, hat nur einen kleinen Spalt zwischen Auspuffdichtung und dem Bodenteil, der aus zwei Metallblechen besteht, die an einer Nahtstelle in der Nähe der Auspuffdichtung miteinander verbunden sind. Das Fenster (74) reduziert dabei nicht nur das Gewicht des Hitzeschildes (50) und verhindert den Wärmetransport durch das Metallteil des Trägerarmes (56) in die Nähe der Nahtstelle (sie ist mit einem Überzug versehen, der nicht heißer als etwa 150°C werden darf), und es schafft auch ausreichend Spielraum zur Anpassung der Nahtstelle, falls das Bodenstück oder das Hitzeschild (50) selbst etwas außerhalb der Toleranz gefertigt ist.

Es ist so zu verstehen, daß die Beschreibung der Erfindung verschiedene Möglichkeiten, Abwandlungen und Anwendungen umfaßt, und daß dieselben unter die Bedeutung und den Umfang der folgenden Ansprüche fallen.

Claims (7)

1. Hitzeschild, insbesondere zum Einsatz in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, bestehend aus einem Laminat aus zwei metallischen Deckblechen und einer Kernplatte aus Isoliermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere metallische Deckplatte (12) im Bereich mindestens einer Schraubenöffnung (26, 28, 34, 36) für die Befestigungsschrauben eingeprägte Vertiefungen (30, 32, 38, 40) aufweist, daß die beiden Deckplatten (12,14) im Kantenbereich (16) durch Aufrollen der Randbereiche miteinander verbunden sind, und daß die innere metallische Deckplatte (14) eine Vielzahl von untereinander benachbarten eingeprägten Rippen (18) aufweist.

2. Hitzeschild nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Deckplatten (12, 14) maximal 0,5 mm beträgt.

3. Hitzeschild nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Deckplatten (12, 14) maximal 0,25 mm beträgt.

4. Hitzeschild nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke mindestens einer der Deckplatten (12, 14) maximal 0,15 mm beträgt.

5. Hitzeschild nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die von den Rippen (18) des inneren Deckbleches (14) gebildeten Kammern (20, 22) Streifen aus Isoliermaterial (24) eingelegt sind.

6. Hitzeschild nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Kammern (22) Streifen aus Keramikfaserisoliermaterial (24) eingelegt sind, und daß die Kammern (20) Luft enthalten.

7. Hitzeschild, insbesondere zum Einsatz in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, bestehend aus zwei metallischen Deckplatten und einer dazwischen angeordneten Kernplatte aus Isoliermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß das Hitzeschild (60) einen von den beiden Deckplatten (70, 72) gebildeten Befestigungsarm (52) besitzt, und daß die aufeinanderliegenden Platten (70, 72, 68) von mit über den Rand gebogenen Beschlägen in der Form von Klammern (76) und Ösen (50, 60) zusammengehalten werden.