lNNOVATlVE KONZEPTE ZUR THERMO-AKUSTISCHEN - Rieter

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AuTOREN dr. mauriZiO maNTOvaNi ist Leiter Akustik und Wärmemanagement bei Rieter Automotive in Winterthur (schweiz). hermaNN de ciuTiis ist globaler Produktmanager für Motorraum bei Rieter Automotive in Winterthur (schweiz). Pierre daNiere ist Projektmanager Forschung und Entwicklung für Produktmaterialien und prozesse bei Rieter Automotive in Winterthur (schweiz). YOshihirO shirahashi ist Mitglied der infiniti Produktentwicklung NVH (Japan). ZielKONFliKTe Den Motorlärm weiter abzusenken, ist eine Notwendigkeit, die schon lange in Konflikt mit den Anforderungen der thermischen Betriebssicherheit, dem Gewicht und dem Kostendruck steht. Dieser Konflikt könnte in Zukunft noch größer werden, denn der Motorraum künftiger konventioneller und hybridisierter Fahrzeuge muss abgeschlossener sein als heute. Die Hauptgründe dafür sind die verschärften Bestimmungen, die für Außengeräusche vorgesehen sind, die steigenden Anforderungen an die Qualität von Außen- und Innengeräuschen und die neue CO 2 -Verordnung in Europa, die zu steigenden Mitteldrücken führt und damit die Motoren tendenziell lauter macht. Um den Kraftstoffverbrauch nach einem Kaltstart zu senken, will man die Wärme im Motorraum möglichst lange speichern. Schließlich muss die Durchströmung des Motorraums aerodynamisch optimiert erfolgen. Die Motorraumkapselung reduziert die Lärmbelästigung der Außenwelt, die zudem gesetzlich geregelt ist. Typischerweise besteht die Kapselung aus Komponenten, die an der Karosserie befestigt sind. Eine Ausnahme bildet die Motorabdeckung oben, die direkt montiert wird. Akustische Absorber werden an der Motorhaube, der Stirnwand, den Seiten des Längsträgers und am Unterboden angebracht. Unterbodenverkleidungen sind heutzutage teilweise mit akustischem Material belegt oder bestehen aus akustisch absorbierenden und gleichzeitig strukturellen faserbasierten Werkstoffen. Ein weiterer Trend sind motormontierte geräuschisolierende Komponenten, die an der Ölwanne oder im Bereich der Einspritzdüsen angebracht werden. Diese Komponenten haben den Vorteil, dass sie den Lärm direkt an der Quelle reduzieren und durch eine geringe Baugröße Gewicht einsparen. Eine Herausforderung für diese Komponenten ist jedoch der Kontakt mit dem Motor und dessen starken Vibrationen, hohen Temperaturen und aggressiven Chemikalien. Zudem besteht die Schwierigkeit, die Schalen mit einer sehr komplexen geometrischen Umgebung zu verbinden. KraFTsTOFFverbrauch uNd ausseNgeräusch gleichZeiTig reduZiereN Mehrere von Rieter durchgeführte Studien [1] zeigten, dass durch eine effiziente Kapselung die CO 2 -Emissionen im neuen europäischen Fahrzyklus (NEFZ) um 2,5 g/km gesenkt werden können. Gleichzeitig wurde nachgewiesen, dass eine Abschirmung unter dem Motor einen signifikanten Beitrag zur Senkung des Luftwiderstands leistet [2]. Beide Zielrichtungen werden in Zukunft erforderlich, da die EU nicht nur die CO 2 -, sondern auch die Geräuschemissionen künftig strenger limitiert. Der Verkehrslärm in der EU verringert sich bis 2020 durch bessere Messmethoden und Verbesserungen der Fahrzeuge und der Infrastruktur um bis zu 10 dB(A) [3]. Die aktu- Volllastbeschleunigung im 2. Gang, räumlich gemittelte Reduktion vom A-gewichteten Gesamtpegelbeitrag oberhalb von 500 Hz für Behandlungsvarianten 1 und 2. Verbesserung mit Variante 1 Verbesserung mit Variante 2 2500 2750 3000 3250 n/rpm 3750 4000 4250 4500 35 40 45 Geschwindigkeit km/h 50 55 60 1 Durchschnittliche schallreduktion für zwei verschiedene Kapselungsansätze und Messung der Außengeräusche des Antriebs (Auspuff, Reifen, Einlass maskiert) am Nissan infiniti im halbechofreien Raum 01i2010 112. Jahrgang 21 L/dB 10 8 6 4 2 0
TiTelThema AKusTiK Temperature after 15 hours 2 °C Motorblocktemperatur nach 15 Stunden. Insulationsdicke: 20 mm 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 elle Einführung der neuen Messmethode für Außengeräusche könnte zu einer Senkung von 2 dB(A) der gemessenen Lärmwerte führen. Es bleibt jedoch immer noch viel zu tun: Einige Autohersteller erwarten, dass die Fahrzeuglärmemissionen um weitere 3 dB(A) reduziert werden müssen. Verschiedene motorseitige Maßnahmen zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs (wie höherer Einspritzdruck, Benzin- Direkteinspritzung, Verkleinerung auf zwei oder drei Zylinder, Abgasturbolader) haben zudem negative Auswirkungen auf den abgestrahlten Lärm. Tests an einem Fahrzeug mit einem 2-l-Ottomotor [4] zeigen, dass durch eine Optimierung der bestehenden karosseriegetragenen Teile eine Reduzierung der Außengeräusche von maximal 1,5 dB möglich ist. 2007 wurde ein System mit motormontierten Teilen mit weniger als 2,5 kg Gewicht vorgestellt [5]. Die Messungen dieses Systems auf dem Motorprüfstand ergaben eine Geräuschreduktion von 3 bis 4 dB. Die Ausrüstung von Teilen des Motorlufteinlasssystems mit porösen akustischen Materialien, die in eine Doppelschale integriert sind, führt zu deutlichen Verbesserungen in der Außengeräuschqualität eines Dieselfahrzeugs [6]. Die Ergebnisse der neuesten Studie, die an einem Nissan Infiniti mit einem V6-Ottomotor mit 3,7 l Hubraum durchgeführt wurde, zeigen, dass eine karosseriemontierte Motorverkapselung das Antriebsgeräusch um 5 dB reduzieren kann, 1. Das Gesamtbild der Studien zeigt, dass eine Kombination von Materialoptimierung sowie karosserie- % Coverage Temperature after 15 hours 1 °C und motormontierten Elementen erforderlich ist, um die gesetzlichen Ziele für eine deutliche Geräuschreduzierung zu erreichen. KONZePTe Für eiNe ThermO- aKusTische mOTOrKaPseluNg Die karosseriemontierte Kapselung wird aus Bauteilen mit einer ursprünglich akustischen Funktion gebildet: Motorhaubenabsorber, äußere Stirnwandverkleidung und Motorunterschild. Neue Elemente sind vertikale Elemente entlang der Längsträger, die so mit den oben genannten Elementen verbunden sind, dass sie einen dicht verschlossenen Motorraum bilden. Außerdem muss elektrisch betätigte Blendenverschlüsse oder andere geeignete Frontabschlüsse des Kühlers verhindert werden, dass Hitze und Geräusche nach außen dringen. Das System muss für eine effiziente Durchströmung des Kühlers sorgen, um eine optimale Kühlung des Motors während der Fahrt sicherzustellen. Zudem sollte es das Entweichen warmer Luft verhindern, wenn das Fahrzeug geparkt ist. Da die Erschütterungen und die Betriebstemperaturen an karosseriemontierten Bauteilen geringer sind, können leichte Materialien wie Schäume und Filze eingesetzt werden. Jedoch ist die Fläche, die mit thermo-akustischen Materialien belegt werden muss, größer als bei einem motormontierten System. Verschiedene Durchbrüche für Lenkung, Getriebewellen, Kabel und andere Schnittstellen müssen integriert werden und eine einfache Befestigung erlauben. Motorblocktemperatur nach 15 Stunden. Vergleich mit verschiedenen Abdeckungsgraden 0 10 20 30 40 50 60 % covered 70 % covered 80 % covered 2 Temperatur des Motorblocks nach 15 stunden Kühlung in Abhängigkeit von der Dicke der Kapselung (links) und von der Flächenbedeckung (rechts) 22 Insulation thickness [mm] Die motormontierte Kapselung ist kleiner, aber mit Flächen verbunden, die üblicherweise heiß sind und stärker vibrieren als die Karosserie. Dies erfordert steifere Materialien mit höherer Temperaturbeständigkeit. Die Aufteilung der Kapselung muss einen Zugang zum Motor zu Wartungszwecken ermöglichen. In der Praxis ist es nicht möglich, 100 % der Motoroberfläche abzudecken. Eine Abdeckung von 85 % wird aber mindestens benötigt, um ein Mindestmaß an thermischer Kapselung zu erzielen. Eine 7 mm dicke Verkleidung, die 80 % der Fläche abdeckt, ist dabei äquivalent zu einer 50 mm dicken Verkleidung, die nur 60 % abdeckt, 2. Folglich hat es bei der Entwicklung einer Kapselung höhere Priorität, eine möglichst große Flächenabdeckung zu erzielen, als möglichst gut isolierende Materialien zu verwenden. Das Potenzial beider Ansätze wurde in mehreren Fahrzeugtests untersucht, 3. Es zeigt sich, dass die motormontierte Kapselung eine etwas niedrigere Wärmespeicherkapazität aufweist, wobei zu berücksichtigen ist, dass diese Bauform mangels Bauraum am bestehenden Motor schwierig zu realisieren war. Bei Motorneuentwicklungen verbessern sich die Möglichkeiten, Flächenbelegung und Durchschnittsdicke des isolierenden Materials zu erhöhen. Beim karosseriemontierte Konzept ist es für gewöhnlich einfacher, eine geeignete Flächenabdeckung zu erreichen, jedoch ist die Dichtung des Systems anspruchsvoller. Das Gewicht aktuell eingesetzter Systeme zur thermischen
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