EP1982057A2 - Liquid cooling device in internal combustion engines and process for manufacturing same - Google Patents

Liquid cooling device in internal combustion engines and process for manufacturing same

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EP1982057A2
EP1982057A2 EP07704150A EP07704150A EP1982057A2 EP 1982057 A2 EP1982057 A2 EP 1982057A2 EP 07704150 A EP07704150 A EP 07704150A EP 07704150 A EP07704150 A EP 07704150A EP 1982057 A2 EP1982057 A2 EP 1982057A2
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EP
European Patent Office
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internal combustion
cooling
combustion engine
microstructured surface
coolant
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Withdrawn
Application number
EP07704150A
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German (de)
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Claudius Kormann
Gerd Kaibel
Dirk Neumann
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BASF SE
Original Assignee
BASF SE
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Publication date
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Definitions

  • the rough and / or porous microstructures of the device according to the invention can be distributed regularly or stochastically on the surface.
  • the preferred pore depth corresponds to a stochastic arrangement of the pores approximately the pore diameter. Particularly in the case of a mechanical incorporation of the pores into the surface, it is possible to move from round pore shapes to any desired geometric shapes, for example differently profiled longitudinal channels. The depth of the pores or of the channels or other depressions is thereby regardless of the pore width.
  • the layer thickness of the microstructured surface is preferably in the range of a few micrometers to a few millimeters, for example in the range of 1 to 10,000 microns, preferably in the range of 10 to 1000 microns.

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Abstract

The invention relates to a liquid cooling device in an internal combustion engine (11) and to a process for manufacturing same. The device according to the invention comprises a cooling circuit (13) having at least one cooling duct (23, 24, 41) for a liquid coolant, the duct being in thermal contact with at least one component (12a, 12b, 31) of the internal combustion engine (11). A wall of the cooling duct (23, 24, 41) that comes into contact with the coolant comprises in at least one partial zone a microstructured surface with a certain porosity and roughness. According to the invention, this device is produced by forming a cooling circuit for a liquid coolant, the circuit comprising cooling ducts that can be brought at least in part into thermal contact with the internal combustion engine, and by generating a microstructured surface on at least part of the walls of the cooling ducts that come into contact with the liquid coolant.

Description

Vorrichtung zur Flüssigkeitskühlung von Verbrennungskraftmaschinen und Verfahren zu deren HerstellungApparatus for liquid cooling of internal combustion engines and process for their production
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Flüssigkeitskühlung von Verbrennungskraftmaschinen und ein Verfahren zu deren Herstellung.The invention relates to a device for liquid cooling of internal combustion engines and a method for their preparation.
Beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise von Hubkolbenmotoren, wie den im Fahrzeugbereich verwendeten Diesel- oderIn the operation of internal combustion engines, such as reciprocating engines, such as the diesel or diesel used in the vehicle sector
Ottomotoren, entstehen in den Verbrennungskammern der Zylinder Temperaturen von über 2000 °C. Die aus den Zylindern über die Zylinderwände an den Motorblock und den Zylinderkopf übertragene Wärme stellt eine Gefahr für andere, nur begrenzt hitzebeständige Bauteile der Verbrennungskraftmaschine dar und muss daher möglichst effizient abgeführt werden, um eine Schädigung dieser Bauteile durch Überhitzung zu vermeiden.Otto engines, arise in the combustion chambers of the cylinders temperatures of over 2000 ° C. The transferred from the cylinders via the cylinder walls to the engine block and the cylinder head heat is a danger to other limited heat resistant components of the internal combustion engine and must therefore be removed as efficiently as possible in order to prevent damage to these components by overheating.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Verbrennungskraftmaschinen mit Luft oder einer Flüssigkeit als Kühlmedium zu kühlen. Dabei ist besonders eine Flüssigkeitskühlung mit Wasser als Kühlflüssigkeit besonders bevorzugt, weil die hohe Wärmekapazität und die geringe Viskosität von Wasser eine effiziente Kühlung der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht. Bei einer wassergekühlten Verbrennungskraftmaschine sind beispielsweise in den Wänden des Zylindermantels und/oder des Zylinderkopfes und/oder im Kurbelgehäuse Kühlkanäle angeordnet, die einen Teil eines Kühlkreislaufes bilden, durch den das Kühlwasser geleitet wird. In einem außerhalb der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Abschnitt des Kühlkreislaufs befindet sich ein luftgekühlter Wärmetauscher, der bei Kraftfahrzeugen als Kühler bezeichnet wird und über den das Kühlwasser die in der Verbrennungskraftmaschine aufgenommene Wärme an die Umgebung abgibt. Üblicherweise tritt die Kühlflüssigkeit in einem tieferliegenden Bereich in dieFrom the prior art it is known to cool internal combustion engines with air or a liquid as the cooling medium. In this case, particular preference is given to liquid cooling with water as the cooling liquid, because the high heat capacity and the low viscosity of water enable efficient cooling of the internal combustion engine. In a water-cooled internal combustion engine cooling channels are arranged, for example, in the walls of the cylinder jacket and / or the cylinder head and / or in the crankcase, which form part of a cooling circuit through which the cooling water is passed. In an arranged outside of the internal combustion engine portion of the cooling circuit is an air-cooled heat exchanger, which is referred to in motor vehicles as a cooler and through which the cooling water releases the heat absorbed in the internal combustion engine to the environment. Usually, the cooling liquid enters a deeper area in the
Verbrennungskraftmaschine ein und wird durch Kühlkanäle bzw. Kühlmäntel des Motorblocks/Kurbelwellengehäuses in den Zylinderkopf geleitet, von wo sie in einem höherliegenden Bereich wieder aus der Verbrennungskraftmaschine austritt. Es ist aber auch bekannt, die Kühlflüssigkeit mittels eines vorzugsweise steuerbaren Ventils vor dem Eintritt in das Motorgehäuse in zwei separate Teilkreisläufe aufzuteilen und getrennt in die Kühlkanäle bzw. Kühlmäntel des Kurbelwellengehäuses und des Zylinderkopfes zu leiten. In dem Kühlkreislauf können weitere Wärmetauscher, Kompressoren undInternal combustion engine and is passed through cooling channels or cooling jackets of the engine block / crankshaft housing in the cylinder head, from where it exits in a higher-lying area of the internal combustion engine. However, it is also known to divide the coolant by means of a preferably controllable valve before entering the motor housing into two separate subcircuits and to conduct separately into the cooling channels or cooling jackets of the crankcase and the cylinder head. In the cooling circuit, other heat exchangers, compressors and
Kondensatoren angeordnet sein, die mit dem Heizsystem bzw. der Klimaanlage des Kraftfahrzeugs zusammenwirken. So kann beispielsweise die von der Verbrennungskraftmaschine abgegebene Wärme zumindest zum Heizen des Fahrgastraums verwendet werden. Es ist auch bekannt, die heißen Abgase einer Verbrennungskraftmaschine über geeignete Wärmetauscher abzukühlen. Dabei kann beispielsweise die den heißen Abgasen entzogene Wärmeenergie in der Startphase dazu verwendet werden, die Kühlflüssigkeit zu erwärmen, so dass die von der Kühlflüssigkeit durchströmte Verbrennungskraftmaschine ihre optimale Betriebstemperatur schneller erreicht. Ein Kühlung der Abgase ist jedoch insbesondere bei sogenannten Abgasrückführsystemen vorteilhaft, die in jüngster Zeit im Automobilbereich eingesetzt werden, um einerseits den Verbrauch im Teillastbereich und andererseits die Emissionen der Verbrennungskraftmaschinen, speziell die NOx- Emission, zu reduzieren. Dabei wird ein, meist über Ventile steuerbarer Teilstrom des Abgases in den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine zurückgeführt. Die Auswirkungen der Abgasrückführung auf den Verbrauch und die NOx-Reduktion können weiter verbessert werden, wenn der rückgeführte Abgasteilstrom mittels eines Abgaskühlers gekühlt wird.Be arranged capacitors, which cooperate with the heating system or the air conditioning of the motor vehicle. For example, the heat emitted by the internal combustion engine can be used at least for heating the passenger compartment. It is also known to cool the hot exhaust gases of an internal combustion engine via suitable heat exchangers. In this case, for example, the heat energy withdrawn from the hot exhaust gases can be used in the starting phase to heat the cooling liquid, so that the internal combustion engine through which the cooling liquid flows reaches its optimum operating temperature more quickly. Cooling of the exhaust gases is, however, particularly advantageous in so-called exhaust gas recirculation systems, which have recently been used in the automotive sector, on the one hand to reduce consumption in the partial load range and, on the other hand, to reduce the emissions of the internal combustion engines, especially the NO x emission. In this case, a part of the exhaust gas, which is usually controllable via valves, is returned to the intake tract of the internal combustion engine. The effects of exhaust gas recirculation on fuel consumption and NO x reduction can be further improved if the recirculated exhaust gas partial flow is cooled by means of an exhaust gas cooler.
Das Umwälzen der Kühlflüssigkeit erfolgt üblicherweise durch eine im Kühlkreislauf angeordnete Förderpumpe, die meist über einen Keilriemen von der Verbrennungskraftmaschine direkt angetrieben wird, so dass ein von der Motordrehzahl abhängiger Kühlflüssigkeitsstrom erzeugt wird. Damit die Verbrennungskraftmaschine ihre optimale Betriebstemperatur schnell erreicht, ist außerdem bekannt, in der Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine den Kühler über ein thermostatgesteuertes Ventil zu überbrücken.The circulation of the cooling liquid is usually carried out by a pump arranged in the cooling pump, which is usually directly driven by a V-belt from the internal combustion engine, so that a dependent of the engine speed coolant flow is generated. In order for the internal combustion engine to reach its optimum operating temperature quickly, it is also known to bridge the radiator via a thermostat-controlled valve in the warm-up phase of the internal combustion engine.
Neben einer Aufnahme von in der Verbrennungskraftmaschine entstehender Wärme durch Erwärmung der Kühlflüssigkeit, tritt in Bereichen mit besonders hoher Wärmebelastung zusätzlich eine teilweise Verdampfung der Kühlflüssigkeit auf, so dass über die entsprechende Verdampfungsenthalpie eine hochwirksame Kühlung der entsprechenden Motorflächen bewirkt werden kann.In addition to a recording of heat generated in the internal combustion engine by heating the cooling liquid occurs in areas with a particularly high heat load in addition to a partial evaporation of the cooling liquid, so that over the corresponding enthalpy of vapor highly effective cooling of the corresponding engine surfaces can be effected.
In modernen Verbrennungskraftmaschinen wird heute nicht mehr nur Wasser als Kühlflüssigkeit verwendet, sondern eine allgemein als Kühlmittel bezeichneteIn modern internal combustion engines today not only water is used as a cooling liquid, but one commonly referred to as coolant
Flüssigkeit, die neben Wasser weitere Zusätze enthält, in erster Linie Zusätze die dem Gefrierschutz und dem Korrosionsschutz dienen.Liquid that contains other additives in addition to water, primarily additives that serve the antifreeze and corrosion protection.
Kühlmittelzusammensetzungen für die Kühlkreisläufe von Verbrennungsmotoren, wie sie in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, enthalten neben Wasser meist Alkylenglykole, hauptsächlich Ethylenglyklol und/oder Polyenglykol und/oder Glyzerin als Gefrierschutzkomponente.Coolant compositions for the cooling circuits of internal combustion engines, as used in motor vehicles, contain water in addition to most Alkylene glycols, mainly ethylene glycol and / or polyglycol and / or glycerin as antifreeze component.
Aus EP-A-816467 ist beispielsweise bekannt, neben den Alkylenglykolen auch höhere Glykole und Glykolether als Gefrierschutzkomponenten zu verwenden.From EP-A-816467 it is known, for example, to use not only the alkylene glycols but also higher glycols and glycol ethers as antifreeze components.
Da Bauteile von Verbrennungskraftmaschinen, sowohl durch die im Betrieb herrschenden Absoluttemperaturen, als auch durch Temperaturschwankungen, hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt sind, stellt jegliche Art und jegliches Ausmaß von Korrosion einen potenziellen Risikofaktor dar, der zur Verkürzung der Laufzeit der Verbrennungskraftmaschine und zur Verringerung von deren Zuverlässigkeit führen kann. Durch die Vielzahl der in einer modernen Verbrennungskraftmaschine verwendeten Materialien, wie Gusseisen, Kupfer, Messing, Weichlot, Stahl und Leichtmetalllegierungen, insbesondere Magnesium- und Aluminiumlegierungen, entstehen, insbesondere an den Stellen, an denen verschiedene Metalle miteinander in Kontakt stehen, zusätzliche potenzielle Korrosionsprobleme. An diesen Stellen können besonders leicht unterschiedlichste Korrosionsarten, wie beispielsweise Lochfraßkorrosion, Stahlkorrosion, Erosion oder Kavitation auftreten. Daher enthalten moderne Kühlmittelzusammensetzungen auch spezielle Korrosionsinhibitoren, die als Korrosionsschutzkomponente dienen. Aus DE-A 195 474 49, EP-A 0 552 988 oder US- A 4,561 ,990 sind beispielsweise Gefrierschutzmittel für das Kühlwasser von Verbrennungsmotoren bekannt, die Carbonsäuren, Molybdate bzw. Triazole enthalten. EP-A 0 229 440 beschreibt eine Korrosionsschutzkomponente aus einer aliphatischen monobasischen Säure, einer dibasischen Kohlenwasserstoffsäure und einem Kohlenwasserstofftriazol. Spezielle Säuren als Korrosionsschutzkomponenten sind beispielsweise in EP-A 0 479 470 beschrieben. Quaternisierte Imidazole als Korrosionsschutzkomponente sind aus DE-A 196 05 509 bekannt. Die Kühlmittelzusammensetzungen müssen außerdem so ausgelegt sein, dass sie verträglich sind mit nichtmetallischen Bestandteilen des Kühlkreislaufs, wie beispielsweise Elastomeren und andere Kunststoffen aus Schlauchverbindungen oder Dichtungen, und diese nicht verändern oder gar angreifen.Since components of internal combustion engines are subjected to high temperature loads, both by the absolute temperatures prevailing during operation and by temperature fluctuations, any type and extent of corrosion represents a potential risk factor, which leads to shortening of the running time of the internal combustion engine and reduction of its reliability can. The variety of materials used in a modern internal combustion engine, such as cast iron, copper, brass, soft solder, steel and light alloys, especially magnesium and aluminum alloys, create additional potential corrosion problems, particularly at the points where different metals are in contact. At these points can be very easily different types of corrosion, such as pitting corrosion, steel corrosion, erosion or cavitation occur. Therefore, modern coolant compositions also contain special corrosion inhibitors which serve as anti-corrosive components. DE-A 195 474 49, EP-A 0 552 988 or US Pat. No. 4,561,990, for example, disclose cryoprotectants for the cooling water of internal combustion engines which contain carboxylic acids, molybdates or triazoles. EP-A-0 229 440 describes a corrosion inhibiting component of an aliphatic monobasic acid, a dibasic hydrocarbon acid and a hydrocarbyltriazole. Special acids as corrosion protection components are described, for example, in EP-A 0 479 470. Quaternized imidazoles as corrosion protection component are known from DE-A 196 05 509. The coolant compositions must also be designed to be compatible with non-metallic components of the refrigeration cycle, such as elastomers and other plastics from hose joints or gaskets, and not alter or even attack them.
Neben der stetigen Verbesserung der Gefrier- und Korrosionsschutzkomponenten einer Kühlmittelzusammensetzung zielen neuere technische Entwicklungen insbesondere auf eine Verbesserung der Kühleigenschaften der Kühlflüssigkeit. So wurde beispielsweise vorgeschlagen, die Kühleigenschaften durch Zusätze zu verbessern, welche die Viskosität und/oder den Strömungswiderstand der Kühlflüssigkeit im Kühlkreislauf verringern.In addition to the continuous improvement of the anti-freezing and anti-corrosion components of a coolant composition, recent technical developments are aimed in particular at improving the cooling properties of the coolant. For example, it has been proposed to improve the cooling properties by additives which reduce the viscosity and / or the flow resistance of the cooling liquid in the cooling circuit.
Die von einer Verbrennungskraftmaschine erreichbare Leistungsdichte wird entscheidend von der Effizienz der Flüssigkeitskühlung beeinflusst. Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zu Grunde, eine Vorrichtung zum Flüssigkeitskühlen von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere unter Verwendung der oben beschriebenen flüssigen Kühlmittel, bereitzustellen, bei welcher die Kühlwirkung, insbesondere an thermisch hochbelasteten Flächen der Verbrennungskraftmaschine, weiter verbessert wird. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung.The achievable power density of an internal combustion engine is significantly influenced by the efficiency of the liquid cooling. The present The invention is therefore based on the technical problem of providing a device for liquid cooling internal combustion engines, in particular using the liquid coolant described above, in which the cooling effect, in particular on thermally highly stressed surfaces of the internal combustion engine, is further improved. The invention also relates to a method for producing such a device.
Gelöst wird dieses technische Problem durch die Vorrichtung zur Flüssigkeitskühlung einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des vorliegenden Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche.This technical problem is solved by the device for liquid cooling of an internal combustion engine with the features of the present claim 1. Advantageous developments of the device according to the invention are subject matters of the dependent claims.
Die Erfindung betrifft demnach eine Vorrichtung zum Kühlen einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Kühlkreislauf, der wenigstens einen Kühlkanal für ein flüssiges Kühlmittel umfasst, welcher mit wenigstens einer Komponente der Verbrennungskraftmaschine in thermischem Kontakt steht, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass eine mit dem Kühlmittel in Kontakt kommende Wand des Kühlkanals zumindest in einem Teilbereich eine mikrostrukturierte Oberfläche aufweist. Wenn in der vorliegenden Beschreibung von einem flüssigen Kühlmittel die Rede ist, so bezieht sich dies auf denThe invention accordingly relates to a device for cooling an internal combustion engine with a cooling circuit comprising at least one cooling channel for a liquid coolant which is in thermal contact with at least one component of the internal combustion engine, wherein the device according to the invention is characterized in that one with the coolant in Contact coming wall of the cooling channel at least in a partial area has a microstructured surface. When in the present description of a liquid coolant is mentioned, this refers to the
Aggregatszustand des Kühlmittels bei Temperaturen zwischen 0 bis 100 °C und Normaldruck. Je nach verwendeter Gefrierschutzkomponente kann das Kühlmittel auch bei niedrigeren oder höheren Temperaturen flüssig sein.State of aggregation of the coolant at temperatures between 0 to 100 ° C and atmospheric pressure. Depending on the antifreeze component used, the coolant may also be liquid at lower or higher temperatures.
Während in den aus dem Stand der Technik bekannten Kühlkreisläufen für Verbrennungskraftmaschinen üblicherweise angestrebt wird, mit dem flüssigen Kühlmittel in Kontakt stehenden Oberflächen der Kühlkreislaufleitungen möglichst glatt auszubilden, um dadurch den Strömungswiderstand des Kühlmittels zu minimieren, wurde nun überraschend gefunden, dass mit der erfindungsgemäß modifizierten Kühlvorrichtung eine wesentlich bessere Kühlwirkung erreicht werden kann, ohne dabei die Strömungseigenschaften des Kühlmittels nennenswert zu verschlechtern. Es wurde insbesondere gefunden, dass die mikrostrukturierte Oberfläche der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung sowohl zu einer Verbesserung des einphasigen Wärmeübergangs vor Einsetzen des Siedens des Kühlmittels als auch zu einer drastischen Verbesserung des zweiphasigen Wärmeübergangs, insbesondere der Siedefreudigkeit und der Siedeaktivität im Bereich des Blasensiedens führt. So wurde beispielsweise festgestellt, dass die Wandüberhitzung, das heißt die Temperaturdifferenz zwischen Wandtemperatur Tw und Sättigungstemperatur Ts des Kühlmittels beim Beginn des Blasensiedens von einem Bereich von etwa 20 bis 40 °C auf einen Bereich von etwa 3 bis 10 °C gesenkt werden konnte. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Flüssigkeitskühlen von Verbrennungskraftmaschinen ist des daher möglich, die Kühlung der Verbrennungskraftmaschine entscheidend zu verbessern. Da, wie oben erwähnt, die Leistungsdichte moderne Verbrennungskraftmaschinen häufig durch die effiziente Wärmeabfuhr durch Kühlung begrenzt ist, ermöglicht es die erfindungsgemäßeWhile in the known from the prior art cooling circuits for internal combustion engines is usually sought as smooth as possible with the liquid coolant contacting surfaces of the cooling circuit lines, thereby minimizing the flow resistance of the coolant, it has now surprisingly found that with the inventively modified cooling device a significantly better cooling effect can be achieved without significantly impairing the flow properties of the coolant. It has been found, in particular, that the microstructured surface of the cooling device according to the invention leads both to an improvement of the single-phase heat transfer before onset of boiling of the coolant and to a drastic improvement of the biphasic heat transfer, in particular the boiling efficiency and the boiling activity in the region of the bubbling. For example, it has been found that wall overheating, that is, the temperature difference between wall temperature T w and saturation temperature T s of the coolant at the onset of bubble boiling could be reduced from a range of about 20 to 40 ° C to a range of about 3 to 10 ° C , With the inventive device for liquid cooling of internal combustion engines is therefore possible to improve the cooling of the internal combustion engine crucial. Since, as mentioned above, the power density of modern internal combustion engines is often limited by the efficient heat removal by cooling, it allows the inventive
Vorrichtung zudem, die Leistungsdichte von Verbrennungskraftmaschinen zu erhöhen.Device also to increase the power density of internal combustion engines.
Es können unterschiedliche Komponenten einer Verbrennungskraftmaschine durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Kühlkanäle mit mikrostrukturierter Oberfläche gekühlt werden. In erster Linie stehen die Kühlkanäle dabei mit Komponenten des Motorblocks der Verbrennungskraftmaschine in thermischem Kontakt, beispielsweise mit dem Zylinderkopf und/oder dem Kurbelgehäuse. Der Begriff "Komponenten der Verbrennungskraftmaschine" im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst jedoch auch Bauelemente außerhalb des eigentlichen Motorblocks, insbesondere weitere im Kühlsystem der Verbrennungskraftmaschine angeordnete Wärmetauscher, wie Abgaskühler oder Ölkühler. Diese Wärmetauscher jeweils separate Kühlflüssigkeitskreislaufe aufweisen; vorzugsweise werden sie jedoch über Teilkreisläufe des Kühlkreislaufs der Verbrennungskraftmaschine gekühlt, wobei die Aufteilung des Kühlflüssigkeitsstroms in den einzelnen Teilabschnitten besonders bevorzugt über geeignete Ventile steuerbar ist.Different components of an internal combustion engine can be cooled by the cooling channels with microstructured surface provided according to the invention. In the first place, the cooling channels are in thermal contact with components of the engine block of the internal combustion engine, for example with the cylinder head and / or the crankcase. However, the term "components of the internal combustion engine" within the meaning of the present invention also includes components outside the actual engine block, in particular further arranged in the cooling system of the internal combustion engine heat exchanger, such as exhaust gas cooler or oil cooler. These heat exchangers each have separate Kühlflüssigkeitskreislaufe; However, they are preferably cooled via partial circuits of the cooling circuit of the internal combustion engine, wherein the distribution of the cooling liquid flow in the individual sections is particularly preferably controlled by suitable valves.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die mikrostrukturierte Oberfläche eine mittlere Oberflächenrauhigkeit Ra im Bereich von 1 bis 1500 μm, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 200 μm, auf.According to an advantageous embodiment of the device according to the invention, the microstructured surface has an average surface roughness Ra in the range from 1 to 1500 .mu.m, preferably in the range from 20 to 200 .mu.m.
Besonders bevorzugt weist die mikrostrukturierte Oberfläche eine poröse Struktur auf. Die Porengröße der porösen Mikrostrukturen liegt dabei vorteilhaft im Bereich von 1 bis 500 μm. Die Porengröße bezieht sich dabei auf den größten Porendurchmesser im Querschnitt. Die Poren können beispielsweise eine im Wesentlichen kreisförmige Querschnittsfläche aufweisen, jedoch sind beliebige andere Porengeometrien ebenfalls möglich. Der Porenanteil in der mikrostrukturierten Oberflächenschicht kann dabei in einem Bereich von 1 bis 90%, vorzugsweise in einem Bereich von 10 bis 80% und besonders bevorzugt im Bereich von 10 bis 70% liegen.Particularly preferably, the microstructured surface has a porous structure. The pore size of the porous microstructures is advantageously in the range of 1 to 500 microns. The pore size refers to the largest pore diameter in cross section. For example, the pores may have a substantially circular cross-sectional area, but any other pore geometries are also possible. The proportion of pores in the microstructured surface layer may be in a range from 1 to 90%, preferably in a range from 10 to 80% and particularly preferably in the range from 10 to 70%.
Die rauen und/oder porösen Mikrostrukturen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können regelmäßig oder stochastisch auf der Oberfläche verteilt sein. Die bevorzugte Porentiefe entspricht bei einer stochastischen Anordnung der Poren in etwa dem Porendurchmesser. Insbesondere bei einer mechanischen Einarbeitung der Poren in die Oberfläche kann man von runden Porenformen auf beliebige geometrische Formen, beispielsweise unterschiedlich profilierte Längskanäle, übergehen. Die Tiefe der Poren beziehungsweise der Kanäle oder anderer Vertiefungen ist dabei unabhängig von der Porenbreite. Die Schichtdicke der mikrostrukturierten Oberfläche liegt vorzugsweise im Bereich von einigen Mikrometern bis zu einigen Millimetern, beispielsweise im Bereich von 1 bis 10000 μm, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 1000 μm.The rough and / or porous microstructures of the device according to the invention can be distributed regularly or stochastically on the surface. The preferred pore depth corresponds to a stochastic arrangement of the pores approximately the pore diameter. Particularly in the case of a mechanical incorporation of the pores into the surface, it is possible to move from round pore shapes to any desired geometric shapes, for example differently profiled longitudinal channels. The depth of the pores or of the channels or other depressions is thereby regardless of the pore width. The layer thickness of the microstructured surface is preferably in the range of a few micrometers to a few millimeters, for example in the range of 1 to 10,000 microns, preferably in the range of 10 to 1000 microns.
Gemäß einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die gesamte mit dem flüssigen Kühlmittel in Kontakt kommende Wandfläche der Leitungen und Kanäle des Kühlkreislaufs als mikrostrukturierte Oberfläche ausgebildet sein. Gemäß einer bevorzugten Variante sind die mikrostrukturierten Oberflächen allerdings auf Bereiche des Kühlkreislaufs beschränkt, die sich im zu kühlenden Bereich derAccording to a variant of the device according to the invention, the entire wall surface of the lines and channels of the cooling circuit coming into contact with the liquid coolant can be designed as a microstructured surface. According to a preferred variant, however, the microstructured surfaces are limited to areas of the cooling circuit that are in the area to be cooled
Verbrennungskraftmaschine befinden und/oder in gegebenenfalls im Kühlkreislauf angeordneten Wärmetauschern zur Kühlung heißer Gase, wie beispielsweise den oben erwähnten Abgaskühlern.Internal combustion engine are located and / or optionally arranged in the cooling circuit heat exchangers for cooling hot gases, such as the above-mentioned exhaust gas cooler.
Als flüssiges Kühlmittel werden vorzugsweise die oben beschriebenen alkylenglykolhaltige Kühlmittelzusammensetzungen auf Wasserbasis eingesetzt. Das Kühlmittel kann gemäß einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung oberflächenaktive Zusätze, wie beispielsweise Tenside enthalten, welche die Oberflächenspannung des Kühlmittels herabsetzen. Derartige oberflächenaktive Zusätze erleichtern den Siedevorgang zusätzlich, indem sie die für das Einsetzen des Blasensiedens erforderliche Wandüberhitzung weiter reduzieren.As the liquid coolant, it is preferable to use the above-described water-based alkylene glycol-containing coolant compositions. The coolant may according to a preferred variant of the device according to the invention contain surface-active additives, such as surfactants, which reduce the surface tension of the coolant. Such surface-active additives additionally facilitate the boiling process by further reducing wall overheating required for onset of bubble boiling.
Üblicherweise werden Kühlkreisläufe moderner Verbrennungskraftmaschinen mit einem Druck von 1 ,5 bis 5 bar absolut betrieben, um die Sättigungstemperatur des flüssigen Kühlmittels zu erhöhen und damit die Kühlwirkung weiter zu verbessern.Usually cooling circuits of modern internal combustion engines are operated at a pressure of 1, 5 to 5 bar absolute to increase the saturation temperature of the liquid coolant and thus to further improve the cooling effect.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Flüssigkeitskühlen von Verbrennungskraftmaschinen. Erfindungsgemäß bildet man einen Kühlkreislauf für ein flüssiges Kühlmittel, der Kühlkanäle aufweist, die zumindest teilweise mit der Verbrennungskraftmaschine in thermischem Kontakt stehen, wobei man zumindest auf einem Teil der mit dem flüssigen Kühlmittel in Kontakt kommenden Wänden der Kühlkanäle eine mikrostrukturierte Oberfläche erzeugt.The invention also relates to a method for producing the device according to the invention for liquid cooling of internal combustion engines. According to the invention forms a cooling circuit for a liquid coolant having cooling channels, which are at least partially in thermal contact with the internal combustion engine, wherein at least on a part of the coming into contact with the liquid coolant walls of the cooling channels generates a microstructured surface.
Verfahren zur Herstellung von Kühlkreisläufen für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Verbrennungsmotoren, sind dem Fachmann bekannt, so dass sich die folgenden Ausführungen auf die Herstellung der erfindungsgemäß vorgesehenen mikrostrukturierten Oberflächen beschränken können. Die Innenwand des Kühlkanals auf dem die mikrostrukturierte Oberfläche ausgebildet wird besteht vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Material, insbesondere aus Metall. Besonders bevorzugt werden die Kanäle bereits beim Gießen der Verbrennungskraftmaschine geformt, so dass die Kanalwand meist aus dem gleichen Material wie der Motorblock, derMethods for producing cooling circuits for internal combustion engines, in particular internal combustion engines, are known to the person skilled in the art, so that the following statements may be limited to the production of the microstructured surfaces provided according to the invention. The inner wall of the cooling channel on which the microstructured surface is formed preferably consists of a good heat-conducting material, in particular of metal. Particularly preferably, the channels are already formed during the casting of the internal combustion engine, then that the channel wall is usually made of the same material as the engine block, the
Zylinderkopfdeckel oder das Kurbelgehäuse besteht.Cylinder head cover or the crankcase is made.
Gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt man die mikrostrukturierte Oberfläche durch mechanische Bearbeitung der Innenwände der Kühlkanäle. Beispielsweise können geeignete Mikrostrukturen durch spanabhebende Bearbeitung der Wände, wie beispielsweise Einfräsen von Rillen und anderen Vertiefungen, oder durch Eindrücken von Strukturen mittels entsprechend profilierter Walzrollen oder -Scheiben erzeugt werden. Geeignete mikrostrukturierte Beschichtungen, wie sie auch in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden können, sind beispielsweise aus der chemischen Verfahrenstechnik bekannt. So produziert beispielsweise die Fa. Wieland-Werke AG, Ulm, Deutschland Wärmetauscherrohre unter der Bezeichnung „Enhanced Boiling Tubes". Hier dienen mechanisch gezielt aufgebrachte Mikrostrukturen der Verbesserung des Wärmeübergangs bei der Verdampfung. Geeignete mechanische Verfahren zurAccording to a first variant of the method according to the invention, the microstructured surface is produced by mechanical processing of the inner walls of the cooling channels. For example, suitable microstructures can be produced by machining the walls, such as milling grooves and other depressions, or by impressing structures by means of correspondingly profiled rolling rolls or disks. Suitable microstructured coatings, as can also be used in the device according to the invention, are known, for example, from chemical engineering. Wieland-Werke AG, Ulm, Germany, for example, produces heat exchanger tubes under the name "Enhanced Boiling Tubes." Mechanically applied microstructures serve to improve the heat transfer during vaporization
Herstellung derartiger Strukturen werden beispielsweise in EP-A 0 607 839, DE-C 101 56 374, DE-C 44 04 357 und DE-A-102 10 016 beschrieben.Production of such structures are described, for example, in EP-A 0 607 839, DE-C 101 56 374, DE-C 44 04 357 and DE-A-102 10 016.
Eine Mikrostrukturierung der thermisch hochbelasteten Wände kann beispielsweise auch durch abrasive Bearbeitung der Wände erzeugt werden, beispielsweise durch Strahlen mit Sand, Metall- oder Keramikkügelchen oder anderer abrasiv wirkender Partikel. Die mikrostrukturierte Oberflächenschicht kann auch durch eine chemische Behandlung der Wände erzeugt werden, beispielweise durch Ätzen der Wandoberfläche mit geeigneten Säuren oder Basen.Microstructuring of the highly thermally stressed walls can also be produced, for example, by abrasive machining of the walls, for example by blasting with sand, metal or ceramic beads or other abrasive particles. The microstructured surface layer can also be produced by chemical treatment of the walls, for example by etching the wall surface with suitable acids or bases.
Gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt man die mikrostrukturierte Oberfläche durch Abscheiden einer rauen und/oder porösen Schicht auf den zu bearbeitenden Wänden. Die mikrostrukturierte Oberfläche kann in diesem Fall auch aus einem anderen Material als die Innenwand der Kühlkanäle bestehen. Es können verschiedenste aus der Beschichtungstechnik bekannte Verfahren angewendet werden, wie beispielsweise Flammspritzen, PVD- oder CVD-Verfahren, Pulver- oder Plasmabeschichten, Sputtern oder verschiedene Sprüh- oder Zerstäubungsverfahren. Es können auch Beschichtungen verwendet werden, wie sie von den unter der Bezeichnung „High-Flux Tubes" bekannten, porös beschichteten Rohren der Firma UOP LLC, Des Piaines, IL, USA her bekannt sind. Dort wird eine Verbesserung des Wärmeübergangs bei der Verdampfung durch stochastisch verteilte Poren erzielt. Ein Verfahren zur Herstellung derartiger poröser Schichten durch Auftragen eines porösen Schaums und anschließendem Galvanisieren des Schaums ist in US-A 4,136,427 beschrieben. Andere Verfahren zur Herstellung geeigneter Schichten werden beispielsweise JP-A 2001-038463 oder FR-A 0 112 782 beschrieben, in denen Metallpartikel geeigneter Korngröße durch eine Lötmaterial zu einer porösen Oberflächenschicht miteinander verbunden werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Kühlmittel mit einem Additiv zu versetzen, das sich thermisch zersetzt und dabei Abbauprodukte bildet, die sich auf der Kühlfläche als poröser Belag niederschlagen.According to a further variant of the method according to the invention, the microstructured surface is produced by depositing a rough and / or porous layer on the walls to be processed. The microstructured surface may in this case also consist of a different material than the inner wall of the cooling channels. Various methods known from coating technology can be used, such as flame spraying, PVD or CVD processes, powder or plasma coatings, sputtering or various spraying or sputtering processes. It is also possible to use coatings known from the patented "High-Flux Tubes" porous coated pipes from UOP LLC, Despaines, IL, USA, in which there is an improvement in the heat transfer during evaporation A method for producing such porous layers by applying a porous foam and then plating the foam is described in US-A 4,136,427 Other processes for producing suitable layers are JP-A 2001-038463 or FR-A-0122, for example 782 described in which metal particles of suitable particle size by a solder material to a porous Surface layer are joined together. Another possibility is to add an additive to the coolant, which decomposes thermally and thereby forms degradation products, which precipitate on the cooling surface as a porous coating.
Gemäß einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt man die mikrostrukturierte Oberfläche direkt beim Gießen der Verbrennungskraftmaschine. Dabei kann die Gussform bereits eine entsprechende Mikrostruktur aufweisen. Eine besonders einfache Möglichkeit besteht aber darin, beim Gießvorgang des Motorblocks die Formkörper für die Hohlräume des Motorblocks oberflächlich zusätzlich mit einer Aufschlammung oder einem Schlicker aus Metall- und/oder Keramikteilchen entsprechender Korngröße und einem Polymer, das sich bei dem Gießvorgang zersetzt, zu beschichten.According to a particularly preferred variant of the method according to the invention, the microstructured surface is produced directly during the casting of the internal combustion engine. In this case, the casting mold can already have a corresponding microstructure. A particularly simple possibility, however, is to superficially coat the moldings for the cavities of the engine block with a slurry or a slurry of metal and / or ceramic particles of corresponding particle size and a polymer which decomposes during the casting process during the casting process of the engine block.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der beigefügten Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels und anhand von in einem Siedeprüfstand durchgeführten Vergleichsversuche näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment shown schematically in the accompanying drawing and based on comparative experiments carried out in a Siedeprüfstand.
In der Zeichnung zeigt:In the drawing shows:
Figur 1 eine schematisch dargestellte Vorrichtung zur Flüssigkeitskühlung einerFigure 1 is a schematically illustrated device for liquid cooling a
Brennkraftmaschinen; Figur 2 Siedekennlinien, welche das Alterungsverhalten einer mit einer erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Oberfläche versehenden Gusshülse zeigen;Internal combustion engines; FIG. 2 shows boiling curves which show the aging behavior of a cast sleeve provided with a microstructured surface according to the invention;
Figur 3 Siedekennlinien eines Vergleichsversuchs einer erfindungsgemäßenFIG. 3 shows boiling curves of a comparative experiment of a novel process
Gusshülse und einer unmodifizierten Gusshülse; und Figur 4 Siedekennlinien eines weiteren Vergleichsversuchs von erfindungsgemäßen Gusshülsen und unmodifizierten Gusshülsen bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten.Cast sleeve and an unmodified cast sleeve; and FIG. 4 shows boiling curves of a further comparative test of cast casings according to the invention and unmodified cast casings at different flow velocities.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Flüssigkeitskühlung einer Verbrennungskraftmaschine 11 schematisch dargestellt. Im dargestellten Beispiel ist die Verbrennungskraftmaschine 1 1 als Verbrennungsmotor ausgebildet, der einen Zylinderkopf 12a und einen Motorblock 12b mit Kurbelgehäuse aufweist. DerIn Fig. 1, a device 10 according to the invention for the liquid cooling of an internal combustion engine 11 is shown schematically. In the example shown, the internal combustion engine 1 1 is designed as an internal combustion engine having a cylinder head 12 a and a crankcase engine block 12 b. Of the
Verbrennungsmotor 1 1 wird durch eine Kühlmittel gekühlt, das in einem Kühlkreis 13 zirkuliert. Der Kühlkreis 13 weist eine Förderpumpe 14 und einen externen, luftgekühlten Hauptwärmetauscher 15 auf, welcher bei einem Kraftfahrzeug üblicherweise als „Kühler" bezeichnet wird. Vor dem Eingang des Kühlers 15 ist ein von einem Temperatursensor 16 gesteuertes Thermostatventil 17 angeordnet, welches den Kühlmittelstrom, abhängig von den Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine, entweder in einen großen Kreislauf 18, der durch den Wärmetauscher 15 führt, oder in einen kleinen Kreislauf 19 leitet, der den Wärmetauscher 15 überbrückt.Internal combustion engine 1 1 is cooled by a coolant circulating in a cooling circuit 13. The cooling circuit 13 has a delivery pump 14 and an external, air-cooled main heat exchanger 15, which is usually referred to as "radiator" in a motor vehicle. <br/><br/> A thermostat valve 17 controlled by a temperature sensor 16 is arranged in front of the inlet of the radiator 15, which depends on the coolant flow from the operating conditions of Internal combustion engine, either in a large circuit 18, which passes through the heat exchanger 15, or in a small circuit 19, which bridges the heat exchanger 15.
Der von dem Hauptwärmetauscher 15 kommende Kühlmittelstrom tritt über einen im Bereich des Kurbelgehäuses 12b angeordneten Kühlflüssigkeitseingang 20 in den Verbrennungsmotor 1 1 ein. Abhängig von der Zylinderzahl des Motors wird der Kühlmittelstrom in der Verbrennungskraftmaschine in mehrere Teilströme unterteilt und in Kühlkanälen 23, 24 entlang der Außenwand der Verbrennungskammern 25, 26 in den Zylinderkopf 12a geführt werden, wo sich die Teilströme wieder zu einerThe coolant flow coming from the main heat exchanger 15 enters the internal combustion engine 11 via a coolant inlet 20 arranged in the region of the crankcase 12b. Depending on the number of cylinders of the engine, the coolant flow in the internal combustion engine is divided into a plurality of sub-streams and guided in cooling channels 23, 24 along the outer wall of the combustion chambers 25, 26 in the cylinder head 12 a, where the partial flows back to a
Austrittsleitung 27 verbinden, die den Verbrennungsmotor 1 1 über den Ausgang 28 verlässt. Der an den Ausgang 28 anschließende Leitungsabschnitt 29 führt das Kühlmittel zu dem Wärmetauscher 15 zurück, wo es die im Verbrennungsmotor 11 aufgenommene Wärme an die Umgebung abgibt.Connect outlet 27, which leaves the engine 1 1 via the output 28. The subsequent to the output 28 line section 29 returns the coolant to the heat exchanger 15, where it emits the heat absorbed in the engine 11 to the environment.
In den thermisch besonders belasteten Abschnitten im Inneren des Verbrennungsmotors, insbesondere in den die Verbrennungskammern umgebenden Bereichen 23, 24 sind die Innenwände der Kühlmittelleitungen bzw. -kanäle mit der erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Oberfläche versehen.In the thermally particularly stressed sections in the interior of the internal combustion engine, in particular in the regions 23, 24 surrounding the combustion chambers, the inner walls of the coolant lines or channels are provided with the microstructured surface according to the invention.
Außerdem weist die in Figur 1 dargestellte Verbrennungskraftmaschine 11 eine insgesamt mit der Bezugsziffer 30 bezeichnete Abgasrückführung auf, die einen Abgaskühler 31 enthält. Über eine Ansaugleitung 32 wird Luft in die Verbrennungskammern 25, 26 der Verbrennungskraftmaschine 1 1 gesaugt. Das nach der Verbrennung des Treibstoffs entstandene Abgas wird über eine Abgasleitung 33 abgeführt. Über eine ventilgesteuerte Verzweigung 34 wird ein Teilstrom des Abgases über eine Abgasrückführleitung 35, 36 in die Ansaugleitung 32 zurückgeführt, so dass der Sauerstoffüberschuss in den Verbrennungskammern reduziert und die Verbrennungstemperatur verringert wird, was zu einer Reduzierung der NOx-Belastung der Abgase und zu einem geringeren Treibstoffverbrauch führt. Durch eine Abkühlung der zurückgeführten Abgase können diese Effekte verstärkt werden. Dazu ist in der Abgasrückführleitung 35, 36 ein Abgaskühler 31 angeordnet, der die heißen Abgase abkühlt. Der Abgaskühler 31 kann einen separaten Kühlkreislauf besitzen. In der dargestellten Ausführungsform wird jedoch ein Teilstrom des Kühlkreislaufes 13 an einer ventilgesteuerte Verzweigung 37 über eine Leitung 38 in den Abgaskühler 31 geleitet. Das erwärmte Kühlmittel wird anschließend über eine Leitung 39 in den Kühlkreislauf 13 zurückgeführt. Der Abgaskühler 31 kann beispielsweise als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet sein, wobei der Abgasstrom auf einzelnen Rohre 40 aufgeteilt wird, die von dem Kühlmittel 41 umspült werden. Die Außenmäntel der Rohre 40 sind dabei mit der erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Oberflächenschicht versehen. Auf weitere, dem Fachmann an sich bekannte Merkmale der Kühlkreise moderner Verbrennungsmotoren, wie Druckeinrichtungen, Sekundärwärmetauscher, die mit dem Heizsystem des Fahrgastraums in thermischem Kontakt stehen, u.s.w. wurde in der schematischen Darstellung der Fig. 1 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit verzichtet.In addition, the internal combustion engine 11 shown in FIG. 1 has an exhaust gas recirculation system designated overall by the reference numeral 30, which contains an exhaust gas cooler 31. Air is drawn into the combustion chambers 25, 26 of the internal combustion engine 1 1 via an intake line 32. The resulting after the combustion of the fuel exhaust gas is discharged via an exhaust pipe 33. Via a valve-controlled branch 34, a partial flow of the exhaust gas via an exhaust gas recirculation line 35, 36 is returned to the intake manifold 32, so that the excess of oxygen in the combustion chambers is reduced and the combustion temperature is reduced, resulting in a reduction of NO x pollution of the exhaust gases and a lower fuel consumption leads. By cooling the recirculated exhaust gases, these effects can be amplified. For this purpose, an exhaust gas cooler 31 is arranged in the exhaust gas recirculation line 35, 36, which cools the hot exhaust gases. The exhaust gas cooler 31 may have a separate cooling circuit. In the illustrated embodiment, however, a partial flow of the cooling circuit 13 is passed to a valve-controlled branch 37 via a line 38 in the exhaust gas cooler 31. The heated coolant is then returned via a line 39 into the cooling circuit 13. The exhaust gas cooler 31 may be formed, for example, as a tube bundle heat exchanger, wherein the exhaust gas stream is divided into individual tubes 40, which are surrounded by the coolant 41. The outer shells of the tubes 40 are provided with the microstructured surface layer according to the invention. For further, known to those skilled in the features of the cooling circuits of modern internal combustion engines, such as pressure devices, secondary heat exchangers, which are in thermal contact with the heating system of the passenger compartment, etc, was omitted in the schematic representation of FIG. 1 for reasons of clarity.
Vergleichsversuche:Comparative tests:
Zur Überprüfung der Wirksamkeit der erfindungsgemäß vorgesehenen mikrostrukturierten Oberflächenschicht wurden herkömmliche Gusshülsen aus Grauguss (Gusseisen mit 3,5% C, 2,0 % Si, 0,7 % Mn und 0,5 % Posphor als den wesentlichen Legierungselementen) mit unbearbeiteter Gusshaut in einem Siedeprüfstand mit einer gleichartigen Gusshülse verglichen, bei der auf die Gusshaut eine erfindungsgemäße mikrostrukturierte Oberflächenschicht aufgetragen wurde. Dazu wurde durch Metallspritzen mit Druckluft eine poröse Schicht einer Eisenlegierung (Cr. ca.29%, Ni ca. 6%, B ca. 3% Rest: Eisen) mit einer Schichtdicke von ca. 200-400 μm aufgetragen. Der Strom zum Schmelzen der Eisendrähte betrug ca. 150 A bei ca. 40 Volt. Das geschmolzene Metall wurde mit ca. 4 bar Druckluft auf der Oberfläche der Siedehülse verteilt. Die ca. 4 cm lange Hülse mit einemTo verify the effectiveness of the microstructured surface layer provided according to the invention, conventional cast iron cast casings (cast iron with 3.5% C, 2.0% Si, 0.7% Mn and 0.5% phosphorus as the essential alloying elements) with unprocessed cast skin were used Siedeprüfstand compared with a similar casting sleeve, in which a microstructured surface layer according to the invention was applied to the casting skin. For this purpose, by metal spraying with compressed air, a porous layer of an iron alloy (Cr. Ca.29%, Ni about 6%, B about 3% remainder: iron) with a layer thickness of about 200-400 microns applied. The current for melting the iron wires was about 150 A at about 40 volts. The molten metal was distributed with approximately 4 bar compressed air on the surface of the boiling sleeve. The approx. 4 cm long sleeve with a
Durchmesser von ca.1 cm war nach ca. 10 Sekunden Beschichtungsdauer fertig beschichtet.Diameter of about 1 cm was finished coated after about 10 seconds coating time.
In einem Siedeprüfstand wurde die Wirksamkeit des Wärmeübergangs in Abhängigkeit von Temperatur, verwendetem Kühlmedium und Strömungsgeschwindigkeit mittels sogenannter Siedekennlinien ermittelt. Siedekennlinien beschreiben beim ein- bzw. zweiphasigen Wärmeübergang den Zusammenhang zwischen dem übertragenden Wärmestrom pro Fläche (Wärmestromdichte) und der Wandtemperatur bzw. der Differenz zwischen Wandtemperatur und Sättigungstemperatur der Flüssigkeit (der sogenannten Wandüberhitzung Tw - Tsat).In a Siedeprüfstand the effectiveness of the heat transfer depending on temperature, cooling medium used and flow velocity was determined by means of so-called boiling characteristics. Boiling curves describe the relationship between the transmitted heat flow per area (heat flow density) and the wall temperature or the difference between the wall temperature and saturation temperature of the liquid (the so-called wall overheating T w -T T sat ) in one or two-phase heat transfer.
Für die mit der beschichteten Gusshülse durchgeführten Messungen wurde das von der Anmelderin kommerziell vertriebene Kühlerschutzmittel "Glysantin® AIu Protect" ohne Entschäumer verwendet. Für einen Vergleichsversuch mit unbeschichteter Gusshülse wurde auch das von der Anmelderin kommerziell vertriebeneFor carried out with the coated casting sleeve measurements sold commercially by the assignee of coolants "Glysantin ® Alu Protect" was used without defoamer. For a comparative experiment with uncoated cast sleeve was also commercially marketed by the Applicant
Kühlerschutzmittel "Glysantin® Protect Plus" eingesetzt. Der Systemdruck betrug in allen betrachteten Fällen psys = 3.2 bar absolut, und die Temperatur des Kühlmediums wurde auf Tsys = 100 °C konstant gehalten.Coolant "Glysantin ® Protect Plus" used. In all the cases considered, the system pressure was p sys = 3.2 bar absolute, and the temperature of the cooling medium was kept constant at T sys = 100 ° C.
Den typischen Verlauf von Siedekennlinien kann man wie folgt beschreiben: Bei Wandtemperaturen unterhalb der Sättigungstemperatur und bei geringer Wandüberhitzungen erfolgt der Wärmeübergang durch freie, einphasige Konvektion, die mit steigender Temperaturdifferenz zu besseren Wärmeübergangskoeffizienten und somit zu einem leichten Anstieg der Siedekennlinie führt. In Abhängigkeit von der Benetzbarkeit der Wand entstehen nach einem mehr oder weniger starken Siedeverzug erste Dampfblasen an bestimmten Stellen der Wandfläche, deren Anzahl und Größe mit steigender Wandüberhitzung wächst. Nach dem Ablösen der ersten Blasen von der Kontaktfläche beginnt das sogenannte Blasensieden. Die Kontaktfläche ist in diesem Bereich noch vollständig von der Flüssigkeit benetzt. Durch die vermehrte Dampfproduktion und die intensive Rührwirkung der miteinander koaleszierenden Dampfblasen steigt die Wärmestromdichte steil an.The typical course of boiling characteristics can be described as follows: at wall temperatures below the saturation temperature and at lower temperatures Wall overheating is the heat transfer by free, single-phase convection, which leads to better heat transfer coefficients with increasing temperature difference and thus to a slight increase in the boiling curve. Depending on the wettability of the wall arise after a more or less severe bumping first vapor bubbles at certain points of the wall surface, the number and size grows with increasing wall overheating. After detachment of the first bubbles from the contact surface, the so-called nucleate boiling begins. The contact surface is still completely wetted by the liquid in this area. Due to the increased steam production and the intensive stirring effect of coalescing vapor bubbles, the heat flux increases steeply.
1. Alterungsverhalten1. aging behavior
Die erste Untersuchung betraf das Alterungsverhalten der Oberfläche und die damit in der Regel verbundenen Veränderungen des Siedewärmeübergangs.The first investigation concerned the aging behavior of the surface and the associated changes in the boiling heat transfer.
Hierzu wurden mehrere Siedekennlinien innerhalb eines Zeitintervalls von 28 h bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit Ub = 0.25 m/s aufgenommen.For this purpose, several boiling characteristics were recorded within a time interval of 28 h at a mean flow velocity U b = 0.25 m / s.
Das Ergebnis des Versuchs ist in Fig. 2 dargestellt.The result of the experiment is shown in FIG.
Aus den in diesem Zeitintervall aufgenommenen Siedekennlinien geht deutlich hervor, dass praktisch keine Alterung, d.h. keine Verschlechterung des Siedeverhaltens feststellbar ist, da die einzelnen Siedekennlinien mit verschiedenen Alterungszuständen praktisch zu einer Linie zusammenfallen.It is clear from the boiling characteristics recorded in this time interval that virtually no aging, i. E. no deterioration in the boiling behavior can be determined, since the individual boiling characteristics with different aging states practically coincide with one another.
2. Vergleich von beschichteter mit unbeschichteter Gusshülse2. Comparison of coated and uncoated cast sleeve
Im Diagramm der Figur 3 wird das Siedeverhalten der unbeschichteten Gusshülse unter Verwendung von "Glysantin® Protect Plus" (Kurve A1 in Fig. 3) und von "Glysantin® AIu Protect" (Kurve A2) als Kühlmittel mit jenem der beschichteten Gusshülse unter Verwendung von "Glysantin® AIu Protect" (Kurve B1 ) als Kühlmittel verglichen. Alle hierbei betrachteten Siedekennlinien weisen den gleichen Alterungszustand auf. Der Vergleich wird wiederum für den Fall der mittleren Strömungsgeschwindigkeit von Ub = 0.25m/s durchgeführt.In the diagram of Figure 3, the boiling behavior of the uncoated casting sleeve using "Glysantin ® Protect Plus" is (curve A1 in Fig. 3) and "Glysantin ® Alu Protect" (curve A2) as a refrigerant to that of the coated casting sleeve using "Glysantin ® AIu Protect" (curve B1) compared as a coolant. All boiling characteristics considered here have the same state of aging. The comparison is again carried out for the case of the average flow velocity of U b = 0.25m / s.
Aus Figur 3 ist der verbesserte Siedewärmeübergang der Gusshülse mit poröser Oberfläche gegenüber jenem der Standardgusshülse deutlich zu erkennen. Diese Verbesserung des Siedewärmeübergangs spiegelt sich bei hohen Wärmestromdichten ( ~ 400.000 W/m2) in einer Reduktion der Oberflächentemperatur Tw gegenüber der Standardgusshülse um einen Betrag von ΔTW = 15 bis 20 °C wider. Eine genauere Betrachtung des Temperaturbereichs, in dem das Sieden einsetzt, zeigt, dass bei der modifizierten Gusshülse mit poröser Oberfläche das Sieden bereits bei einer Wandtemperatur Tw < Tsat einsetzt (Abweichen der Siedekennlinie von der Linearität).From Figure 3, the improved boiling heat transfer of the cast sleeve with a porous surface over that of the standard cast sleeve is clearly visible. This improvement in the boiling heat transfer is reflected at high heat flux densities (~ 400,000 W / m 2 ) in a reduction of the surface temperature T w over the standard cast sleeve by an amount of ΔT W = 15 to 20 ° C. A closer look at the Temperature range in which the boiling sets in, shows that in the modified cast sleeve with a porous surface, the boiling already at a wall temperature T w <T sat sets (deviation of the boiling curve of the linearity).
3. Variation der Strömungsgeschwindigkeit3. Variation of the flow velocity
Im Diagramm der Figur 4 sind Siedekennlinien der unbeschichteten (Kurvenschar Ai) und der beschichteten Gusshülse (Kurvenschar Bi) bei verschiedenen mittleren Strömungsgeschwindigkeiten ub dargestellt.In the diagram of FIG. 4, boiling characteristics of the uncoated (family of curves Ai) and of the coated casting sleeve (family of curves Bi) are shown at different mean flow velocities u b .
In allen dargestellten Fällen beträgt die Temperatur des Kühlmediums Tsys = 100°C und der absolute Systemdruck psys = 3.2 bar. Als Kühlmedium wurde jeweils "Glysantin® AIu Protect" verwendet. Die Indizes i der Kurvenscharen Ai bzw. Bi bezeichnen jeweils Strömungsgeschwindigkeiten Ub von 0.1 m/s (i=1 ),In all cases shown, the temperature of the cooling medium T sys = 100 ° C and the absolute system pressure p sys = 3.2 bar. "Glysantin ® Alu Protect" were respectively used as the cooling medium. The indices i of the family of curves Ai and Bi respectively denote flow velocities Ub of 0.1 m / s (i = 1),
0.25 m/s (i=2), 0.5 m/s (i=3), 0.75 m/s (i=4), 1.0 m/s (i=5) und 1.5 m/s (i=6).0.25 m / s (i = 2), 0.5 m / s (i = 3), 0.75 m / s (i = 4), 1.0 m / s (i = 5) and 1.5 m / s (i = 6).
Für alle betrachteten Fälle ist die deutliche Verbesserung sowohl des einphasigen als auch des zweiphasigen Wärmeübergangs bei der Verwendung der modifizierten Gusshülse mit poröser Oberfläche gegenüber der unbeschichteten Gusshülse erkennbar.For all cases considered, the significant improvement of both the single-phase and the two-phase heat transfer when using the modified cast sleeve with a porous surface compared to the uncoated cast sleeve recognizable.
Zusammenfassend lässt sich als Ergebnis der Vergleichsversuche festhalten:In summary, it can be stated as the result of the comparative experiments:
• Aus den mit der modifizierten Gusshülse aufgenommenen Siedekennlinien geht deutlich hervor, dass praktisch keine Alterung der Oberfläche, d.h. keine Verschlechterung des Siedeverhaltens feststellbar ist.It is clear from the boiling characteristics recorded with the modified cast sleeve that virtually no aging of the surface, i. no deterioration in the boiling behavior is detectable.
• Aufgrund der größeren Oberflächenrauhigkeit konnte eine deutliche Verbesserung des einphasigen Wärmeübergangs bei der Verwendung des Probekörpers mit poröser Oberfläche gegenüber der Standardhülse festgestellt werden.• Due to the greater surface roughness, a significant improvement in the single-phase heat transfer was observed when using the test specimen with a porous surface compared to the standard sleeve.
• Sowohl die Siedefreudigkeit, als auch die Siedeaktivität konnte bei Verwendung der porösen Oberfläche im Vergleich zur Standardoberfläche mit unbehandelter Gusshaut deutlich gesteigert werden. Dadurch konnte die Oberflächentemperatur bei hohen Wärmeströmen um etwa 15°C reduziert werden. • Both the boiling efficiency and the boiling activity could be significantly increased when using the porous surface compared to the standard surface with untreated casting skin. As a result, the surface temperature at high heat fluxes could be reduced by about 15 ° C.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum Kühlen einer Verbrennungskraftmaschine (1 1 ) mit einem Kühlkreislauf (13), der wenigstens einen Kühlkanal (23,24,41 ) für ein flüssiges Kühlmittel umfasst, welcher mit wenigstens einer Komponente (12a, 12b, 31 ) derAn apparatus for cooling an internal combustion engine (1 1) with a cooling circuit (13) comprising at least one cooling channel (23,24,41) for a liquid coolant, which with at least one component (12a, 12b, 31) of the
Verbrennungskraftmaschine (1 1 ) in thermischem Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Kühlmittel in Kontakt kommende Wand des Kühlkanals (23,24,41 ) zumindest in einem Teilbereich eine mikrostrukturierte Oberfläche aufweist.Internal combustion engine (1 1) is in thermal contact, characterized in that a coming into contact with the coolant wall of the cooling channel (23,24,41) has a microstructured surface at least in a partial region.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierte Oberfläche eine mittlere Oberflächenrauhigkeit Ra im Bereich von 1 bis 1500 μm aufweist.2. Device according to claim 1, characterized in that the microstructured surface has an average surface roughness Ra in the range of 1 to 1500 microns.
3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierte Oberfläche eine poröse Struktur aufweist.3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the microstructured surface has a porous structure.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Größe der Poren der mikrostrukturierten Oberfläche im Bereich von 1 bis 500 μm liegt.4. The device according to claim 3, characterized in that the average size of the pores of the microstructured surface in the range of 1 to 500 microns.
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Porenanteil im Bereich von 1 bis 90% liegt.5. Device according to one of claims 3 or 4, characterized in that the pore content is in the range of 1 to 90%.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierte Oberfläche mit poröser Struktur eine Schichtdicke von 1 bis 10000 μm aufweist.6. Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that the microstructured surface having a porous structure has a layer thickness of 1 to 10,000 microns.
7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen der mikrostrukturierten Oberfläche regelmäßig angeordnet sind.7. Device according to one of claims 3 to 6, characterized in that the structures of the microstructured surface are arranged regularly.
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen der mikrostrukturierten Oberfläche stochastisch angeordnet sind.8. Device according to one of claims 3 to 6, characterized in that the structures of the microstructured surface are arranged stochastically.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die im Betrieb thermisch hochbelasteten Abschnitte der Wand bzw. der Wände des Kühlkanals die mikrostrukturierte Oberflächen aufweist.9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least the thermally highly stressed during operation sections of the wall or the walls of the cooling channel having the microstructured surfaces.
10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mit wenigstens einem Kühlkanal (23,24,41 ) in thermischem Kontakt stehende Komponente der Verbrennungsmaschine (1 1 ) ein Zylinderkopf (12a) und/oder ein Kurbelgehäuse (12b) der Verbrennungskraftmaschine und/oder ein Abgaskühler (31 ) ist.10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that with at least one cooling channel (23,24,41) in thermal contact Component of the internal combustion engine (1 1) is a cylinder head (12 a) and / or a crankcase (12 b) of the internal combustion engine and / or an exhaust gas cooler (31).
1 1. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein wässriges Kühlmittel in dem Kühlkreislauf zirkuliert, welches oberflächenaktive Zusätze, insbesondere Tenside enthält.1 1. A device according to any one of claims 1 to 10, characterized in that an aqueous coolant circulates in the cooling circuit, which contains surface-active additives, in particular surfactants.
12. Verfahren zur Herstellung von einer Vorrichtung zum Kühlen einer Verbrennungskraftmaschine, wobei man einen Kühlkreislauf für ein flüssiges12. A method for producing a device for cooling an internal combustion engine, wherein a cooling circuit for a liquid
Kühlmittel bildet, der Kühlkanäle aufweist, die zumindest teilweise mit der Verbrennungskraftmaschine in thermischem Kontakt stehen, wobei man zumindest auf einem Teil der mit dem flüssigen Kühlmittel in Kontakt kommenden Wänden der Kühlkanäle eine mikrostrukturierte Oberfläche erzeugt.Forms coolant having cooling channels, which are at least partially in thermal contact with the internal combustion engine, wherein at least on a part of the coming into contact with the liquid coolant walls of the cooling channels generates a microstructured surface.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei man die mikrostrukturierte Oberfläche durch mechanische und/oder chemische Bearbeitung der Wände erzeugt.13. The method according to claim 12, wherein the microstructured surface produced by mechanical and / or chemical processing of the walls.
14. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei man die mikrostrukturierte Oberfläche durch Auftragen oder Abscheiden eines Beschichtungsmaterials auf den Wänden erzeugt.14. The method of claim 12, wherein the microstructured surface is formed by applying or depositing a coating material on the walls.
15. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei man die mikrostrukturierte Oberfläche bei Gießen der Verbrennungskraftmaschine erzeugt. 15. The method according to claim 12, wherein the microstructured surface is produced during casting of the internal combustion engine.
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