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Thermische Motorkapselung mit PUR reduziert Verbrauch und Emissionen |
Polyurethane und andere Schäume
Thermische Motorkapselung mit PUR reduziert Verbrauch und Emissionen
Ausführungen von Hermann Völker, Leiter technische Marktentwicklung Automobil-Spezialitäten, Elastogran GmbH, Olching
22. Juni 2004, Fachpressekonferenz zur K 2004 in Ludwigshafen
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Polyurethan (PUR) ist nach Polypropylen (PP) der zweitwichtigste Kunststoff im Automobilbau. Der Schwerpunkt der Anwendungen lag bislang im Fahrzeuginnenraum: So werden Sitzpolster, Dachhimmel, Lenkräder sowie die Hinterschäumung von Teppichen und Instrumententafeln aus PUR gefertigt. Die Idee einer thermischen Motorkapselung (TMK) könnte schon bald zum Einzug von PUR in den Motorraum führen (Bild 1).
Das Konzept besteht darin, den gesamten Motorblock mit Formteilen aus PUR-Hartschaum zu ummanteln und so thermisch zu isolieren. Ziel dieser Kapselung ist es, ein langsameres Abkühlen des abgestellten Motors zu erreichen, und so die Anzahl der Kaltstarts zu reduzieren. Die Vorteile sind:- reduzierter Kraftstoffverbrauch, besonders im Kurzstreckenbetrieb,
- geringere Schadstoffemissionen durch weniger Kaltstarts,
- schnelleres Enteisen der Scheiben,
- geringerer Verschleiß sowie
- zusätzliche Geräuschdämmung.
Der Einsatz von PUR für die TMK basiert hauptsächlich auf den Merkmalen Dichte, Wärmedämmeigenschaften und Dauertemperaturbeständigkeit bis 150 Grad Celsius (Bild 2).
In einem beispielhaften CAD-Modell besteht die Kapsel aus mindestens acht Teilen. Durch diese Aufteilung der Kapselung in Einzelteile wird die Demontage bei Wartungsarbeiten erleichtert. Bereiche, die einer starken Abstrahlungshitze, etwa vom Auspuffkrümmer oder vom Katalysator ausgesetzt sind, werden durch Formblech-Hohlkörper mit mineralischer Isolierung geschützt. Die Lichtmaschine und das Getriebe sind in diesem Modell in die Kapsel integriert. Zur Kühlung müssten sie in den Kühlkreislauf miteinbezogen werden. Für den Einsatz in künftigen Fahrzeugen muss die TMK bereits bei der Fahrzeugkonstruktion berücksichtigt werden. Eine Nachrüstung vorhandener Fahrzeuge kommt nicht in Betracht (Bild 3).
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Enge Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Köln
Die Entwicklung der TMK erfolgte in einer engen Kooperation mit der Fachhochschule Köln. In zahlreichen Versuchen und Berechnungen wurde in Köln zunächst der innermotorische Temperaturverlauf im MVEG-Fahrzyklus (Motor Vehicle Emissions Group) ermittelt. Dabei zeigte sich, dass sich das Kühlwasser in knapp zehn Minuten auf Betriebstemperatur erwärmt. Das Motoröl braucht etwa doppelt so lange und das Getriebeöl erwärmt sich noch langsamer (Bild 4).
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Bis zu neun Prozent weniger Verbrauch
Nach Erreichen der Betriebstemperatur wurden während des Abkühlens die Temperaturen an verschiedenen Messpunkten aufgenommen. Erst nach etwa 14 bis 15 Stunden war der mit einer TMK ausgestattete Motor auf 40 bis 50 Grad Celsius abgekühlt. Diese Abkühlrate kann mit einem Umhüllungsgrad des Motors von etwa 90 Prozent erreicht werden. Das entspricht einer vollständigen Umhüllung mit Ausnahme der Abgasanlage und des Motortragbügels. Ohne TMK kühlt sich der Motor dagegen in nur etwa zwei bis drei Stunden bereits auf 40 Grad Celsius ab (Bild 5).
Aus dieser Reduzierung der Wärmeabgabe mit TMK errechnet sich – bei einer durchschnittlichen Fahrleistung von 12.300 Kilometern pro Jahr – eine Verbrauchsminderung von fünf Prozent im Sommer und acht bis neun Prozent im Winter. Prüfstandversuche mit einem Vierzylinder-Reihen-Ottomotor mit 1,4 Litern Hubraum bestätigten die berechnete Abkühlverzögerung (Bild 6).
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Machbarkeitsstudie zum Serieneinsatz
Die Idee und die Ergebnisse der TMK wurden inzwischen ausgewählten Automobilherstellern vorgestellt. Vor kurzem ist es mit einem namhaften Automobilkonzern zu einer Vereinbarung über eine Zusammenarbeit gekommen. Ziel dieser Zusammenarbeit ist eine umfassende Machbarkeitsstudie der TMK für eine mögliche Serienanwendung. Dabei wird eine sogenannte Konstruktionsuntersuchung für einen definierten PKW-Dieselmotor in einem Zielfahrzeug durchgeführt. Unter genauer Berücksichtigung der Anforderungen der Automobilindustrie werden in diesem Projekt gemeinsam Aufwand und Nutzen sowie das Potenzial des Systems für unterschiedliche Anwendungsfälle detailliert untersucht.
Eine andere Hürde auf dem Weg zum Serieneinsatz hat das Konzept bereits genommen. Die Elastogran GmbH hat beim BASF-Labor für Ökoeffizienz eine Analyse für die TMK in Auftrag gegeben. Mit dieser vom TÜV validierten Analysenmethode wurden ein Fahrzeug mit und ein Fahrzeug ohne TMK verglichen. Die ermittelten Ergebnisse belegen, dass die TMK eine echte Chance hat, zu einer verbesserten Gesamt-Ökobilanz künftiger Straßenfahrzeuge beizutragen (Bild 7).
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