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Die
Erfindung betrifft ein ölgekühltes Bauteil mit
einer zumindest bereichsweise strukturierten Oberfläche
zur Erhöhung einer Strömungsturbulenz im oberflächennahen
Bereich.
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Öl
wird als Kühlmedium insbesondere bei vergleichsweise hohen
Temperaturen genutzt. Dabei wird der im Vergleich zu wasserbasierten
Kühlmedien hohe Siedepunkt des Öls genutzt, nachteilig
ist jedoch der gegenüber Wasser um einen Faktor 3–5
geringere Wärmeübergangskoeffizient bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit.
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Zur
Verbesserung der Kühlwirkung bei der Verwendung von Öl
als Kühlmedium hat man daher Blenden oder vergleichbare
Geometrien eingesetzt mit der Absicht, die Durchmischung des gesamten Kühlmediums
zu erhöhen. Damit wird sekundär auch der Wärmeübergang
von dem zu kühlenden Bauteil zum Kühlmedium verbessert.
Allerdings steigt mit dem Einbau von Blenden oder ähnlichen
mischungsfördernden Geometrien der Strömungswiderstand deutlich
an, sodass mehr Leistung zur Bewegung des Kühlmediums bereitgestellt
werden muss. Insbesondere bei einer Ölkühlung mit
konzeptionell hohen Viskositäten bei kühlem Öl
führt dies zu einem erheblich größeren
Strömungswiderstand, Leistungsbedarf und letztlich erhöhter
Bauteilbelastung. Daher wurde vorgeschlagen, zur Verbesserung des
Wärmeübergangs bei Wärmetauschern oberflächenseitig
Strukturelemente anzubringen.
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Aus
der
EP 1 060 808 A2 ist
ein Verfahren zur Herstellung eines Rohrs für einen brennkraftmaschinenexternen
Fahrzeugkühler mit einer vorragenden Flächenstruktur
zur Effizienzsteigerung des Wärmeübergangs zwischen
der inneren Rohroberfläche und einem in den Rohr strömenden
Fluid bekannt. Die
US 4,154,293 betrifft
ebenfalls ein Rohr für einen Wärmetauscher und
beschreibt die innenseitige Beschichtung des Rohrs mit einzelnen,
voneinander beabstandeten Strukturelementen. Der
US 3,906,604 zufolge ist zur Verbesserung
des Wärmeübergangs eine Vielzahl extrem feiner,
sich kreuzender Nuten vorgesehen, sodass gekerbte Rippen gebildet
werden. Dabei sind jeweils zur Herstellung dieser Strukturelemente
auf einem ursprünglich glatten Rohling gesonderte Arbeitsschritte
erforderlich. Diese zusätzlichen Arbeitsgänge
sind aufwändig. Außerdem kann bei komplexen Bauteilgeometrien
eine derartige Herstellung von Strukturelementen sehr schwierig
oder sogar unmöglich sein.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein eingangs genanntes Bauteil bereitzustellen,
bei dem Strukturelemente zur Erhöhung einer Strömungsturbulenz
im oberflächennahen Bereich ohne einen gesonderten Arbeitsschritt
hergestellt werden können und bei dem Strukturelemente
auch bei komplexen Bauteilgeometrien ohne Schwierigkeiten herstellbar
sind.
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Bauteil mit den Merkmalen
des Anspruchs 1, wobei erfindungsgemäß das Bauteil
durch Gießen hergestellt ist und zur Bildung der strukturierten
Oberfläche zumindest bereichsweise Strukturelemente eingegossen
sind. Das Bauteil ist insbesondere ein Zylinderkopf oder Zylindermantel
einer Brennkraftmaschine. Das erfindungsgemäße
Bauteil kann einfach und kostengünstig hergestellt werden,
auch bei komplexen Bauteilgeometrien und eignet sich daher besonders
gut für eine automatisierte Serienproduktion.
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Vorzugsweise
ist mit den Strukturelementen eine Oberflächenrauhigkeit
erzeugt, die größer ist, als eine durch Gießen
erreichbare Rauhigkeit, jedoch nur etwa maximal so groß,
wie die Höhe einer Temperaturgrenzschicht. Damit wird eine
effektive Beeinflussung der Temperaturgrenzschicht und damit Verbesserung
des Wärmeübergangs ohne übermäßige Erhöhung
des Strömungswiderstands ermöglicht.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn die Strukturelemente gezielt in
besonders temperaturbelasteten Bereichen des Bauteils, insbesondere
in einem Zündkerzenbereich und/oder einem Stegbereich zwischen
Auslassventilen, angeordnet sind.
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Nachfolgend
ist ein besonders zu bevorzugendes Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert,
dabei zeigen schematisch und beispielhaft
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1 ein
Diagramm zur Temperatur- und Strömungsgrenzschicht bei Ölkühlung,
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2 ein
Grenzschichtprofil und eine Bauteiloberfläche mit Strukturelementen
sowie
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3 einen
Zylinderkopf einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine mit einem Ölkanal
mit strukturierter Oberfläche.
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1 zeigt
ein Diagramm 100 zur Temperatur- und Strömungsgrenzschicht
bei Ölkühlung eines Bauteils, wie Zylinderkopf
oder Zylindermantel einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine. Auf
der Abszisse sind Temperatur T und Strömungsgeschwindigkeit
u des Öls aufgetragen, der Abstand n von der Bauteiloberfläche
ist auf der Ordinate aufgetragen.
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Das
Bauteil weist vorliegend oberflächenseitig eine Temperatur
von ca. 150–250°C, insbesondere von ca. 200°C
auf und wird gekühlt, indem kühleres Öl über
die Bauteiloberfläche strömt und dabei Wärme
vom Bauteil auf das Öl übergeht. Mit zunehmendem
Abstand n von der Bauteiloberfläche nimmt die Öltemperatur
ab, dieser Zusammenhang ist mit der Kurve 104 dargestellt,
wobei die Temperatur ausgehend von der Bauteiloberfläche,
wo sie entsprechend der Bauteiloberflächentemperatur eine
Temperatur von ca. 150–250°C, insbesondere von
ca. 200°C aufweist, abfällt bist auf eine Öltemperatur
von ca. 100–200°C, insbesondere von ca. 150°C.
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Reibungsbedingt
ist die Strömungsgeschwindigkeit des Öls unmittelbar
an der Bauteiloberfläche null, mit zunehmendem Abstand
n von der Bauteiloberfläche steigt die Strömungsgeschwindigkeit
des Öls an bis auf die erwähnte mittlere Geschwindigkeit
von vorliegend ca. 1–4 m/s, insbesondere von ca. 2–3
m/s. Dieser Zusammenhang ist mit der Kurve 102 dargestellt,
wobei die Strömungsgeschwindigkeit ausgehend von der Bauteiloberfläche bis
auf eine Geschwindigkeit von ca. 1–4 m/s, insbesondere
von ca. 2–3 m/s ansteigt.
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Im
Bereich unmittelbar an der Bauteiloberfläche steigt die
Strömungsgeschwindigkeit des Öls ausgehend von
null mit zunehmendem Abstand n von der Bauteiloberfläche
zunächst sehr stark an, die Öltemperatur nimmt
zunächst sehr stark ab. Dieser Bereich wird als laminare
Unterschicht 106 bezeichnet (in 1 nur für
die Kurve 106 eingezeichnet) und reicht vorliegend bis
zu einem Abstand n von der Bauteiloberfläche von ca. 0,15–0,35
mm, insbesondere ca. 0,25 mm. Der an diese laminare Unterschicht 106 anschließende
Bereich, in dem ein Übergang der mit zunehmendem Abstand
n von der Bauteiloberfläche zunächst starken Temperaturänderung der Ölschicht
zu einer nur noch unwesentlichen Temperaturänderung erfolgt,
wird als Temperaturgrenzschicht 108 bezeichnet und reicht
vorliegend bis zu einem Abstand n von der Bauteiloberfläche
von ca. 1–2 mm, insbesondere ca. 1,5 mm. Der Bereich, in dem
ein Übergang der mit zunehmendem Abstand n von der Bauteiloberfläche
zunächst starken Geschwindigkeitsänderung der Ölschicht
zu einer nur noch unwesentlichen Geschwindigkeitsänderung
erfolgt, wird als Strömungsgrenzschicht 110 bezeichnet und
erstreckt sich bis zu einem Abstand n von der Bauteiloberfläche
von mehreren Millimetern.
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Blenden
oder vergleichbare Geometrien erzeugen Turbulenzen außerhalb
der Temperaturgrenzschicht 108. Dadurch wird der Strömungswiderstand
erhöht, es kann jedoch unter Umständen nur eine
geringe Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen
Bauteiloberfläche und Öl erreicht werden. Bei
Gussbauteilen, die herstellungsbedingt eine von der Kornstärke
des verwendeten Gusssands abhängige Oberflächenrauhigkeit
von ca. 0,25 mm aufweisen, wird im Wesentlichen die laminare Unterschicht 106 beeinflusst.
Dabei wird im Vergleich zu einer glatten Oberfläche eine
Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Bauteiloberfläche
und Öl erreicht. Der Einsatz von Strukturen im Bereich
der Temperaturgrenzschicht 108 ermöglicht jedoch
noch eine deutliche Steigerung des Wärmeübergangs
zwischen Bauteiloberfläche und Öl in der Größenordnung
40%. Indem gezielt innerhalb der Temperaturgrenzschicht 108 Turbulenzen
erzeugt werden, wird in der Temperaturgrenzschicht 108 eine
Durchmischung des Öls und damit eines besondere Steigerung
des Wärmeübergangs erreicht, ohne den Strömungswiderstand
besonders zu erhöhen.
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In 2 sind
ein Grenzschichtprofil 202, eine Temperaturgrenzschicht 203 und
eine Bauteiloberfläche 204 mit Strukturelementen 208 gezeigt.
Mit den Strukturelementen 208 wird eine Oberflächenrauhigkeit
erzeugt ist, die größer ist, als eine durch Gießen
erreichbare Rauhigkeit 206, jedoch nur etwa maximal so
groß, wie die Höhe einer Temperaturgrenzschicht 104, 203.
Vorliegend weisen die Strukturelemente 208 eine Höhe
h von ca. 0,5–1,5 mm auf, wobei die absolute Höhe
von der Dicke der Temperaturgrenzschicht 104, 203 abhängt,
bei anderen Randbedingungen können die Strukturelemente 208 also
eine andere Höhe h aufweisen. In der Figur ist das Profil
der Bauteiloberfläche 204 qualitativ in Bezug
zur Temperaturgrenzschicht 203 gesetzt. Mit den Strukturelementen 208 wird
eine Turbulenz 210 in der Strömungsgrenzschicht 202 in
dem über die Bauteiloberfläche 204 strömenden Öl
erzeugt, die zumindest einen wesentlichen Bereich der Temperaturgrenzschicht 104, 203 umfasst.
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3 zeigt
ein ölgekühltes Bauteil mit einer Bauteiloberfläche 204.
Dargestellt ist ein gegossener Zylinderkopf 302 aus Leichtmetallguss,
insbesondere umfassend eine Aluminium- und/oder Magnesiumlegierung.
Der Zylinderkopf 302 kann auch Stahlguss, wie Grauguss,
umfassen. Der Zylinderkopf 302 bildet den oberen Teil eines
Brennraums einer Brennkraftmaschine, insbesondere für einen
PKW, mit Einlass- 306 und Auslassöffnungen 308.
Zur Kühlung des Zylinderkopfs 302 ist dieser mit
Kanälen 310, 312 durchsetzt, durch die
beim Betrieb der Brennkraftmaschine zur Kühlung Öl
strömt. Die Oberfläche der Kanäle 310, 312 ist
zur Verbesserung des Wärmeübergangs wie oben beschrieben
mit Strukturelementen 208 versehen. Die Strukturelemente 208 sind
gezielt in besonders temperaturbelasteten Bereichen, insbesondere
in einem Zündkerzenbereich und/oder einem Stegbereich zwischen
Auslassventilen, angeordnet. Dabei können Strukturelemente 208 nur
bereichsweise vorgesehen sein und/oder es können Bereiche
mit einer höheren und Bereiche mit einer niedrigeren Dichte
von Strukturelementen 208 vorgesehen sein. Mit der gezielten
Anordnung der Strukturelemente 208 wird ein maximaler Wärmeübergang bei
gleichzeitig minimal erhöhtem Strömungswiderstand
erreicht. Die Strukturelemente 208 sind direkt in das Bauteil 302 eingegossen.
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Die
erfindungsgemäße Oberflächenstruktur kann
selbstverständlich nicht nur bei einem Zylinderkopf, sondern
auch bei anderen gegossenen ölgekühlten Bauteilen,
insbesondere auch bei einem Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine,
zur Anwendung kommen.
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Die
Erfindung bezieht sich auf ölgekühlte Bauteile,
da bei einer Wasserkühlung die Grenzschichtdicken der Strömung
und die der Temperatur in etwa gleich groß sind und daher
der Wärmeübergang bei Wasser besser als bei Öl
ist. Bei Wasser ist eine derart gezielte Beeinflussung der Temperaturgrenzschicht
nicht erforderlich. Vorliegend wird spezifisch für eine Ölkühlung
durch besondere Abstimmung der Strukturelemente 208 auf
die Temperaturgrenzschicht diese gezielt beeinflusst.
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Größe
und Form der Strukturelemente 208 richten sich nach der
strömungstechnischen Wirksamkeit und gusstechnischen Herstellbarkeit,
wobei die Größe des erzeugten Turbulenzbereichs 210 wesentlich
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1060808
A2 [0004]
- - US 4154293 [0004]
- - US 3906604 [0004]