CN101375032A - 内燃机中的液体冷却装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内燃机(11)的液体冷却装置，并涉及生产该装置的方法。本发明的装置包括冷却回路(13)，所述冷却回路包括至少一个用于液体冷却剂的冷却通道(23、24、41)，该冷却通道与内燃机(11)的至少一个部件(12a、12b、31)热接触，冷却通道(23、24、41)的与冷却剂接触的壁在至少一部分区域内具有形成微结构的表面，所述形成微结构的表面具有一定多孔度和粗糙度。按照本发明，这种装置这样生产：建造用于液体冷却剂的冷却回路，该冷却回路具有冷却通道，所述冷却通道可以至少部分地与内燃机热接触；在冷却通道的与液体冷却剂接触的壁至少一部分上产生形成微结构的表面。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的液体冷却装置及其生产方法。
背景技术
在车辆所使用的内燃机—例如活塞式发动机如柴油发动机或四冲程汽油发动机—运行时，在气缸的燃烧室中产生2000℃以上的温度。从气缸经由气缸壁传送到发动机气缸体和气缸盖的热量会造成对内燃机的其它部件的威胁，所述其它部件仅有有限的热阻，因此必须尽可能有效地将所述热量除去，以避免由于过热而损坏这些部件。
利用空气或者液体作为冷却介质冷却内燃机是现有技术中已知的。利用水作为冷却液的液体冷却尤其优选，因为水的高热容和低粘度使充分冷却内燃机成为可能。在水冷式内燃机中，冷却通道例如位于气缸壁和/或气缸盖中或曲轴箱中，上述冷却通道形成冷却回路的一部分，冷却水通过上述冷却回路输送。在位于内燃机外的冷却回路段中，设有空气冷却式换热器，所述空气冷却式换热器在机动车的情况下称为散热器，且冷却水通过散热器将在内燃机中所吸收的热量排放到环境中。冷却液通常进入内燃机位置较低的区域中，并通过发动机组/曲轴外壳的冷却通道或冷却套输送到气缸盖中，从所述气缸盖冷却液再在位置较高的区域离开内燃机。然而，还已知在冷却液进入发动机外壳之前通过一优选可致动的阀将冷却液分散到两个分开的回路中，并将液流分开输送到曲轴外壳和气缸盖的冷却通道或冷却套中。
在冷却回路中可以设置另一些与机动车的加热系统或空调装置相互作用的热换器、压缩机和冷凝器。因此，例如，由内燃机放出的热量至少一部分可以用于加热乘客舱。还已知通过合适的换热器冷却从内燃机排出的热的废气。这里，可以例如利用从起动状态下的热废气取出的热能来加热冷却液，以使该冷却液所流过的内燃机更快地到达它的最佳运行温度。然而，在废气循环系统的情况下冷却废气尤其有利，所述废气循环系统现在在机动车区段中使用，以便首先减少部分载荷区的消耗，其次减少来自内燃机的排放，尤其是氮氧化物(NOx)的排放。这里，使通常可用阀控制的废气支流再循环到内燃机的吸气段中。当再循环的废气支流通过废气冷却器冷却时，可以进一步改善废气再循环对消耗和减少NOx排放的影响。
冷却液的循环通常用位于冷却回路中的泵进行，所述泵通常由内燃机通过V形带直接驱动，以便产生与发动机转数有关的冷却液流。为使内燃机快速到达它的最佳工作温度，还已知在内燃机的加热状态下通过恒温器控制的阀绕过冷却器。
除了通过加热冷却液摄取内燃机中所产生的热量之外，在特别热的区别中另外发生冷却液的部分气化，因此通过相应的气化热焓可以实施十分有效的冷却相应的发动机表面。
现今，现代内燃机不再仅用水作为冷却液，而代之以使用一种液体，所述液体一般称为冷却剂并包括水和另一些添加剂一起，首先是用来防止结冰和腐蚀的添加剂。
如机动车中所用的用于内燃机的冷却回路的冷却剂组成通常包括水与亚烷基乙二醇，主要是作为防冻成分的乙二醇和/或丙二醇和/或丙三醇。
例如，从EP-A-816467已知不仅使用亚烷基乙二醇，而且还使用高级乙二醇类和乙二酯酯类作为防冻剂成分。
因为内燃机的部件由于运行期间的绝对温度和温度波动而经受高的热应力，所以任何腐蚀类型和腐蚀程度都是潜在的可能导致缩短内燃机的工作寿命和降低可靠性的危险因素。在现代化内燃机中所用的许多材料例如铸铁、铜、黄铜、软焊料、钢和轻金属合金尤其是镁合金和铝合金，尤其是在不同金属相互接触的部位处产生另外的潜在的腐蚀问题。尤其是在这些部位处可能发生各种不同类型的腐蚀，例如点蚀、钢腐蚀、浸蚀或气蚀。因此，现代冷却剂组成还包括专用腐蚀抑制剂用作腐蚀保护成分。例如，DE-A-19547449、EP-A-0552988或US-A4561990公开了用于内燃机的冷却水的防冻剂，所述防冻剂包括羧酸、钼酸盐或三唑类。EP-A-0229440描述了一种防腐剂成分，所述防腐剂成分包括脂族一元酸、二元烃基酸和烃基三唑。作为防腐剂成分的专用酸类例如在EP-A-0479470中说明。从DE-A-19605509中已知用季铵化米唑类作为防腐剂成分。冷却剂组成还必需如此设计，以便它们可与冷却回路的非金属成分例如作为软管连接或密封的弹性体或其它塑料相容，且不改变或侵蚀它们。
除了在冷却剂组成的防冻剂和防腐剂成分方面的不断改进之外，现代技术研发目的尤其是在于冷却液的冷却性能方面的改进。因此，例如提出了通过添加剂来改善冷却性能，上述添加剂降低了冷却液在冷却回路中的粘度和/或流阻。
可由内燃机实现的能量密度决定性地受液体冷却的效率影响。因此，本发明的目的是提供一种尤其是使用上述液体冷却剂用于液体冷却内燃机的装置，其中进一步改善了尤其是内燃机经受高热应力的表面的冷却作用。本发明还涉及生产这种装置的方法。
发明内容
本发明的目的通过用于内燃的液体冷却的装置达到，所述装置具有权利要求1所述的特征。本发明的装置的有利实施例由从属权利要求示出。
因此，本发明提供一种用于冷却内燃机的装置，所述装置包括一冷却回路，该冷却回路包括至少一个用于液体冷却剂的冷却通道，所述冷却通道与内燃机的至少一个部件热接触，其中与冷却剂接触的冷却通道的壁至少在部分区域中具有形成微结构的表面。当本说明书提到“液体冷却剂”时，表示冷却剂在温度为0-100℃并且在大气压下的物质状态。根据所用的防冻液的成分，冷却剂也可以是更低或更高温度下的液体。
尽管通常试图使与液体冷却剂接触的冷却回路管线的表面尽可能光滑，以使现有技术已知的用于内燃机的冷却回路中的冷却剂的流阻减至最小，但现在令人惊奇地发现，利用按照本发明所修改的冷却装置，在对冷却剂的流动性能不严重影响到明显程度下，可以得到显著更好的冷却作用。尤其是，现已发现，本发明的冷却装置的形成微结构的表面导致在冷却剂开始沸腾之前单相传热的改善和在两相传热方面尤其是在气泡沸腾范围内准备沸腾和沸腾活动性上还有更大改善。因此，例如发现，壁的过热，亦即开始气泡沸腾时壁温Tw和冷却剂的饱和温度Ts之间的差可从约20-40℃的范围降低到约3-10℃的范围。
因此，本发明的用于液体冷却内燃机的装置能在冷却内燃机方面得到明显的改善。因为，如上所述，现代内燃机的能量密度经常受到通过冷却除热的效率的限制，本发明的装置也能增加内燃机的能量密度。
内燃机的各种不同部件可通过具有按照本发明的形成微结构的表面的冷却通道冷却。首先，冷却通道与内燃机的发动机气缸体的部件例如与气缸盖和/或曲轴箱热接触。然而，本发明中所用的术语“内燃机的部件”也包括实际发动机气缸体外部的部件，尤其是还包括换热器，例如位于内燃机的冷却系统中的废气冷却器或油冷却器。这些换热器均具有分开的冷却液回路；然而，它们优选通过内燃机的冷却液回路的分支回路冷却，其中冷却液流细分成若干单独的小部分，所述小部分特别优选能用合适的阀控制。
在本发明的装置的有利实施例中，形成微结构的表面的平均表面粗糙度Ra在1-1500μm的范围内，优选在20-200μm的范围内。
形成微结构的表面特别优选具有多孔结构。该多孔微结构的小孔尺寸有利地在1-500μm的范围内。这里小孔尺寸涉及横断面中的最大小孔直径。小孔可以具有例如基本上是圆形的横断面，但任何其它小孔几何形状同样是可行的。小孔在形成微结构的表面层中所占的比例可在1-90％的范围内，优选在10-80％的范围内，特别优选在10-70％的范围内。
本发明的装置的粗糙度和/或多孔微结构可规则地或随机地分布在表面上。在小孔随机排列的情况下优选的小孔深度近似与小孔的直径相对应。特别当小孔是通过机械加工形成在表面中的情况下，小孔可以从圆形小孔形状转过渡到任何几何形状，例如具有不同外形的纵向通道。小孔或通道或其它凹入部分的深度依赖于小孔宽度。形成微结构的表面的层厚优选在几微米到几毫米的范围内，例如在1-10,000μm的范围内，优选在10-1,000μm的范围内。
在本发明的装置的一种变型中，冷却回路的与液体冷却剂接触的通道和管线的整个壁表面可以构造成形成微结构的表面。然而，在一种优选变型中，形成微结构的表面限于冷却回路的下述区域中，所述区域位于内燃机内待冷却的区域中和/或任何用于冷却热气体的换热器中，上述换热器安装在冷却回路例如上述废气冷却器中。
作为液体冷却剂，优选使用上述包括亚烷基二醇的水基冷却剂组成。在本发明的装置的优选变型中，冷却剂可以包括表面活性添加剂，例如表面活性剂，所述表面活性剂降低冷却剂的表面张力。这种表面活性添加剂还通过进一步减少开始气泡沸腾所需的壁的过热而促进沸腾过程。
现代内燃机的冷却回路通常在1.5-5巴绝对压力下运行，以增加液体冷却剂的饱和温度，并因此进一步改善冷却作用。
本发明还提供用于生产本发明的用于液体冷却内燃机的装置的方法。按照本发明，建造用于液体冷却剂的冷却回路，所述冷却回路具有冷却通道，所述冷却通道至少部分地与内燃机热接触，其中在冷却通道的与液体冷却剂接触的壁的至少一部分上产生形成微结构的表面。
生产用于内燃机尤其是机动车发动机的冷却回路的方法是本领域技术人员已知的，因此下面仅说明按照本发明的形成微结构的表面的产生。形成微结构的表面在其上产生的冷却通道的内壁优选包括具有良好热导率的材料，尤其是金属。所述通道特别优选在铸造内燃机期间形成，以使通道壁按惯例包括与发动机气缸体、气缸盖或曲轴箱相同的材料。
在本发明的方法的第一变型中，形成微结构的表面通过机械处理冷却通道的内壁而产生。例如，合适的形成微结构的表面可以通过机加工所述壁，例如铣削沟槽或其它凹入部分，或是通过用合适成型的辊或板将结构压花产生。合适的形成微结构的涂层如在本发明的装置中也可使用的，例如可以从化学加工工程中已知。因此，例如德国Wieland-Werke AG，Ulm公司生产名为“增强式沸腾管”的换热器管。这里，按预定方式用机械方法生产的形成微结构的表面用来改善气化期间的热传递。生产这类结构的合适机械方法例如在EP-A-0607839、DE-C-10156374、DE-C-4404357和DE-A-10210016中说明。
经受高热应力的壁的微结构形成法可以例如通过磨料处理壁，例如通过用砂子、金属球或陶瓷球或其它磨料粒子喷砂处理实施。形成微结构的表面层也可以通过化学处理壁，例如通过用合适的酸或碱腐蚀壁表面而产生。
在本发明的方法的另一变型中，形成微结构的表面通过在待处理的壁上沉积粗糙的和/或多孔层产生。形成微结构的表面在这种情况下也可以包括与冷却通道的内壁不同的材料。可以应用涂装技术中已知的各种不同方法，例如火焰喷涂法、PVD(物理气相沉积)或CVD(化学气相沉积)法、粉末涂装或等离子体涂装、溅射或各种喷雾或雾化法。也可以使用如从具有多孔涂层的已知管中已知的涂层，所述具有多孔涂层的已知管可从UOPLLC，Des Plaines，IL，USA的“High-Flux Tube(高通量管)”得到。在此，通过随机分布的小孔达到气化期间热传递的改善。US-A-4136427中描述了一种方法，所述方法用于通过敷贴多孔泡沫塑料和随后将所述多孔泡沫塑料电镀来产生这种多孔层。其它生产合适层的方法例如在JP-A2001-038463或FR-A0112782中描述，其中将具有合适粒径的金属粒子通过焊接材料相互接合在一起，以便提供多表面层。另一种可能性是将冷却剂与添加剂混合，所述添加剂热分解并因此形成降解产物，所述降解产物作为多孔涂层沉积在冷却表面上。
在本发明的方法的特别优选的变型中，形成微结构的表面直接在铸造内燃机期间产生。这里，铸模可以具有合适的微结构。然而，特别简单的可能性是用合适粒径的金属和/或陶瓷粒子与聚合物的浆料或泥釉涂装置球体的表面以用于发动机气缸体的大空间，上述聚合物在铸造发动机气缸体之前在铸造期间分解。
附图说明
下面，通过附图中示意示出的例子和通过在沸腾试验装置中进行的对照实验来说明本发明。
在图中：
图1示意性示出用于内燃机的液体冷却的装置；
图2示出沸腾曲线，所述沸腾曲线表示具有按照本发明所述的形成微结构的表面的铸铁管的时效性能；
图3示出按照本发明所述的铸铁管和对照实验中未修改的铸铁管的沸腾曲线；以及
图4示出在另一对照实验中按照本发明所述的铸铁管和未修改的铸铁管在不同流速下的沸腾曲线。
具体实施方式
图1示意性示出按照本发明的用于液体冷却内燃机11的装置10。在所示示例中，内燃机11设计成机动车发动机，所述发动机具有气缸盖12a和带曲轴箱12b的发动机气缸体。机动车发动机11用冷却剂冷却，所述冷却剂在冷却回路13中循环。冷却回路13具有泵14和外部空气冷却式主换热器15，所述主换热器15在机动车的情况下通常称为“散热器”。由温度传感器16控制的恒温器控制阀17位于散热器15的入口的上游，并根据内燃机的运行状况将冷却剂流引入大回路18或者小回路19，上述大回路18穿过换热器15，而上述小回路19绕过换热器15。
来自主换热器15的冷却剂流通过冷却液入口20进入机动车发动机11，所述入口20位于曲轴箱12b的区域。根据发动机中的气缸数，冷却剂流在内燃机中分成多个支流，并且这些支流在冷却通道23、24中沿燃烧室25、26的外壁输送到气缸盖12a，在该处各支流再合并且输送到出口管线27中，所述出口管线27通过出口28离开机动车发动机11。连接出口28的管线部分29将冷却剂导引回到换热器15，在换热器15处该冷却剂将从机动车发动机11中吸收的热量排放到环境中。
在机动车发动机内部的经受特别高热应力的部分中，尤其是在围绕燃烧室的区域23、24中，冷却剂管线或通道的内壁具有按照本发明的形成微结构的表面。
此外，图1所示的内燃机11具有一废气循环设备，所述废气循环设备总体用标号30表示，并包括废气冷却器31。通过进气管线32将空气吸入到内燃机11的燃烧室25、26中。燃料燃烧之后所形成的废气通过废气管线33排放。废气的支流在由阀控制的分支点34处分流，并通过废气返回管线35、36输送到吸气管线32中，以便减少燃烧室中过量的氧，并降低燃烧温度，从而减少废气的NOx含量并降低燃料消耗。这些效果可以通过将循环的废气冷却而增强。为此，将冷却热废气用的废气冷却器31设置在废气返回管线35、36中。废气冷却器31可以具有分开的冷却回路。然而，在所示的实施例中，冷却回路13的支流在阀控制的分支点37处分流，并通过管线38输送到废气冷却器31。随后，使热的冷却剂通过管线39循环流到冷却回路13。废气冷却器31可以例如设计成壳管式换热器，其中将废气流分配到各单独的管子40中，冷却剂41围绕上述管子流动。管子40的外壁具有按照本发明所述的形成微结构的表面层。
为了清楚起见，图1的示意图中已经略去本领域技术人员已知的现代机动车发动机的冷却回路的其它特征，比如压力装置、二次换热器等，所述二次换热器与乘客舱的加热系统热接触。
对照例：
为了试验按照本发明所提供的形成微结构的表面层的效率，将普通铸铁管与具有按照本发明的形成微结构的表面层的类似铸铁管在沸腾试验装置中进行比较，所述普通铸铁管用灰铸铁(铸铁包括3.5％C，2.0％Si，0.7％Mn和0.5％P作为有效合金元素)制成并具有未经处理的铸造表皮。为此，通过利用压缩空气的金属喷涂法涂布厚度约为200-400μm的多孔铁合金层(Cr约含29％，Ni约含6％，B约含3％，余量：铁)。熔化铁丝的电流在约40V下约为150A。熔融的金属用约4巴的压缩空气分布在沸腾管的表面上。涂装直径约1cm、长约4cm的管子在约10秒的涂装时间后完成。
利用沸腾试验装置中的沸腾管线确定热传递效率随温度、所用冷却介质及流速的变化。沸腾管线对单相或两相热传递描述了每单位面积所传递的热流(热通量)与壁温度之间的关系或者壁温和液体的饱和温度之间的温度差(通称为壁的过热Tw-Tsat)。
为使用加有涂层的铸铁管进行测量，在没有消泡剂的情况下应用申请人在市场上销售的散热器保护产品“Glysantin 
Alu Protect”。在使用未加涂层的铸铁管的对照例中，也应用申请人在市场上销售的散热器保护产品“Glysantin 
Alu Protect”。在所有情况下检验的系统压力为psys＝3.2绝对巴，而冷却介质的温度保持恒定在Tsys＝100℃下。
沸腾管线的典型形状说明如下：在低于饱和温度的壁温下和在壁的低过热下，热传递通过自由的单相对流进行，所述单相对流随温度增加而得到更好的传热效率，并因此导致在沸腾管线中平稳上升。根据壁的可润湿性，在基本显著的沸腾延迟之后，在壁表面上特定位置处形成第一蒸汽气泡，并且这些气泡的数量和大小随着壁过热的增加而增加。在第一气泡与接触表面分开之后，气泡沸腾开始。在这个区域，接触表面仍然完全被液体润湿。由于增加了蒸气的生产和融合的蒸气泡的强烈搅拌作用，热通量急剧增加。
1.时效性能
第一研究涉及表面的时效性能以及一般与其有关的气化热传递的变化。为此，将多个沸腾管线在平均流速ub＝0.25m/s下记录28小时。
实验结果在图2中示出。
从在这个时间周期内记录的沸腾曲线可以清楚地看出，观察到实际上没有时效，亦即沸腾性能未变差，因为在不同时效状态下的各个沸腾曲线实际与给出一简单的线一致。
2.加涂层的铸铁管与未加涂层的铸铁管的比较
在图3的曲线图中，将使用“Glysantin 
protect plus”(图3中曲线A1)和使用“Glysantin 
Alu Protect”(曲线A2)作为冷却剂的未加涂层的铸铁管的沸腾性能与使用“Glysantin 
Alu Protect”(曲线B1)作为冷却剂的加有涂层的铸铁管的沸腾性能进行比较。这里所检验的所有沸腾曲线都具有相同的时效状态。对介质流速为ub＝0.25m/s的情况再次进行比较。
具有多孔表面的铸铁管与标准铸铁管相比的改善的气化热传递可在图3中清楚地看出。这种气化热传递的改善是在表面温度Tw比标准铸铁管降低量为ΔTw＝15-20℃时高热通量(≈400,000W/m2)下的反映。沸腾开始时温度范围的更精确考察表明，在具有多孔表面的改进的铸铁管的情况下，沸腾在壁温Tw<Tsat(沸腾曲线偏离线性)时开始。
3.流速的改变
图4的曲线示出未加涂层的铸铁管(曲线组Ai)和加有涂层的铸铁管(曲线组Bi)在各种不同平均流速ub下的沸腾曲线。
在所示的所有情况下，冷却介质的温度Tsys＝100℃，而系统绝对压力Psys＝3.2巴。每种情况下都采用“Glysantin Alu Protect”作为冷却介质。每种情况下的曲线组Ai或Bi的指数i涉及流速ub为0.1m/s(i＝1)、0.25m/s(i＝2)、0.5m/s(i＝3)、0.75m/s(i＝4)、1.0m/s(i＝5)和1.5m/s(i＝6)。
当使用具有多孔表面的改进的铸铁管时，与未加涂层的铸铁管相比，所考察的所有情况中都可看出单相传热和两相传热两方面中的明显改进。
总之，对照实验的结果是：
·从使用改进的铸铁管所记录的沸腾曲线可以清楚地看出，实际上没有表面的时效，亦即未观察到沸腾性能恶化。
·由于较大的表面粗糙度，所以当使用具有多孔表面的样品进行实验时，与标准管相比，观察到单相传热中的明显改善。
·当使用多孔表面时，与具有未经处理的铸造表皮相比，准备发生沸腾和活动性二者可以显著增加。结果，在高热流下表面温度可降低约15℃。
Claims (15)
1.一种用于冷却内燃机(11)的装置，包括冷却回路(13)，该冷却回路(13)包括至少一个用于液体冷却剂的冷却通道(23、24、41)，所述冷却通道与内燃机(11)的至少一个部件(12a、12b、31)热接触，
其中，冷却通道(23、24、41)的接触冷却剂的壁至少在部分区域具有形成微结构的表面。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，形成微结构的表面具有1-1500μm的平均表面粗糙度Ra。
3.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，形成微结构的表面具有多孔结构。
4.按照权利要求3所述的装置，其特征在于，形成微结构的表面的小孔的平均尺寸为1-500μm。
5.按照权利要求3或4所述的装置，其特征在于，小孔所占的比例为1-90％。
6.按照权利要求3-5之一所述的装置，其特征在于，具有多孔结构的形成微结构的表面具有1-10000μm的层厚。
7.按照权利要求3-6之一所述的装置，其特征在于，形成微结构的表面的结构规则地排列。
8.按照权利要求3-6之一所述的装置，其特征在于，形成微结构的表面的结构随机排列。
9.按照权利要求1-8之一所述的装置，其特征在于，至少冷却通道的在运行时经受高热应力的壁部分具有形成微结构的表面。
10.按照权利要求1-9之一所述的装置，其特征在于，内燃机(11)的与至少一个冷却通道(23、24、41)热接触的部件是内燃机的至少一个曲轴箱(12b)和/或气缸盖(12a)和/或废气冷却器(31)。
11.按照权利要求1-10之一所述的装置，其特征在于，在冷却回路中循环有含水冷却剂，该含水冷却剂包括表面活性添加剂，尤其是表面活性剂。
12.一种生产用于冷却内燃机的装置的方法，其中建造用于液体冷却剂的冷却回路，所述冷却回路具有冷却通道，所述冷却通道至少部分地与内燃机热接触，其中在冷却通道的与液体冷却剂接触的至少部分壁上产生形成微结构的表面。
13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，通过对壁进行机械的和/或化学的处理来产生所述形成微结构的表面。
14.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，通过在所述壁上涂布材料来产生所述形成微结构的表面。
15.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，在铸造内燃机期间产生所述形成微结构的表面。
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