WO2007085641A2

WO2007085641A2 - Vorrichtung zur flüssigkeitskühlung von verbrennungskraftmaschinen und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: WO2007085641A2
Application number: PCT/EP2007/050757
Authority: WO
Inventors: Claudius Kormann; Gerd Kaibel; Dirk Neumann
Original assignee: Basf Se
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2007-08-02
Also published as: JP2009524763A; KR20080087878A; EP1982057A2; CN101375032A; US20100162971A1; WO2007085641A3; CN101375032B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Flüssigkeitskühlung einer Verbrennungskraftmaschine (11) und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Kühlkreislauf (13), der wenigstens einen Kühlkanal (23,24,41) für ein flüssiges Kühlmittel aufweist, welcher mit wenigstens einer Komponente (12a,12b,31) der Verbrennungskraftmaschine (11) in thermischem Kontakt steht, wobei eine mit dem Kühlmittel in Kontakt kommende Wand des Kühlkanals (23,24,41) zumindest in einem Teilbereich eine mikrostrukturierte Oberfläche mit einer gewissen Porosität und Rauhigkeit aufweist. Erfindungsgemäß wird eine solche Vorrichtung hergestellt, indem man einen Kühlkreislauf für ein flüssiges Kühlmittel bildet, der Kühlkanäle aufweist, die zumindest teilweise mit der Verbrennungskraftmaschine in thermischem Kontakt gebracht werden können, wobei man zumindest auf einem Teil der mit dem flüssigen Kühlmittel in Kontakt kommenden Wänden der Kühlkanäle eine mikrostrukturierte Oberfläche erzeugt.

Description

Vorrichtung zur Flüssigkeitskühlung von Verbrennungskraftmaschinen und Verfahren zu deren Herstellung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Flüssigkeitskühlung von Verbrennungskraftmaschinen und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Beim Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise von Hubkolbenmotoren, wie den im Fahrzeugbereich verwendeten Diesel- oder

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.

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 die

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 und

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 NO_x- 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 NO_x-Reduktion können weiter verbessert werden, wenn der rückgeführte Abgasteilstrom mittels eines Abgaskühlers gekühlt wird.

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.

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 modernen Verbrennungskraftmaschinen wird heute nicht mehr nur Wasser als Kühlflüssigkeit verwendet, sondern eine allgemein als Kühlmittel bezeichnete

Flüssigkeit, die neben Wasser weitere Zusätze enthält, in erster Linie Zusätze die dem Gefrierschutz und dem Korrosionsschutz dienen.

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.

Aus EP-A-816467 ist beispielsweise bekannt, neben den Alkylenglykolen auch höhere Glykole und Glykolether als Gefrierschutzkomponenten zu verwenden.

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.

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.

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.

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.

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 den

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.

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 T_w und Sättigungstemperatur T_s 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 erfindungsgemäße

Vorrichtung zudem, die Leistungsdichte von Verbrennungskraftmaschinen zu erhöhen.

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.

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.

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.

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.

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 der

Verbrennungskraftmaschine befinden und/oder in gegebenenfalls im Kühlkreislauf angeordneten Wärmetauschern zur Kühlung heißer Gase, wie beispielsweise den oben erwähnten Abgaskühlern.

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.

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.

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.

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, der

Zylinderkopfdeckel oder das Kurbelgehäuse besteht.

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 zur

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.

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.

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.

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.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der beigefügten Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels und anhand von in einem Siedeprüfstand durchgeführten Vergleichsversuche näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 eine schematisch dargestellte Vorrichtung zur Flüssigkeitskühlung einer

Brennkraftmaschinen; Figur 2 Siedekennlinien, welche das Alterungsverhalten einer mit einer erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Oberfläche versehenden Gusshülse zeigen;

Figur 3 Siedekennlinien eines Vergleichsversuchs einer erfindungsgemäßen

Gusshülse und einer unmodifizierten Gusshülse; und Figur 4 Siedekennlinien eines weiteren Vergleichsversuchs von erfindungsgemäßen Gusshülsen und unmodifizierten Gusshülsen bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten.

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. Der

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.

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 einer

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.

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.

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 NO_x-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.

Vergleichsversuche:

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 einem

Durchmesser von ca.1 cm war nach ca. 10 Sekunden Beschichtungsdauer fertig beschichtet.

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 T_w - T_sat).

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 vertriebene

Kühlerschutzmittel "Glysantin^® Protect Plus" eingesetzt. Der Systemdruck betrug in allen betrachteten Fällen p_sys = 3.2 bar absolut, und die Temperatur des Kühlmediums wurde auf T_sys = 100 °C konstant gehalten.

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.

1. Alterungsverhalten

Die erste Untersuchung betraf das Alterungsverhalten der Oberfläche und die damit in der Regel verbundenen Veränderungen des Siedewärmeübergangs.

Hierzu wurden mehrere Siedekennlinien innerhalb eines Zeitintervalls von 28 h bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit U_b = 0.25 m/s aufgenommen.

Das Ergebnis des Versuchs ist in Fig. 2 dargestellt.

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.

2. Vergleich von beschichteter mit unbeschichteter Gusshülse

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 U_b = 0.25m/s durchgeführt.

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 T_w gegenüber der Standardgusshülse um einen Betrag von ΔT_W = 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 T_w < T_sat einsetzt (Abweichen der Siedekennlinie von der Linearität).

3. Variation der Strömungsgeschwindigkeit

Im Diagramm der Figur 4 sind Siedekennlinien der unbeschichteten (Kurvenschar Ai) und der beschichteten Gusshülse (Kurvenschar Bi) bei verschiedenen mittleren Strömungsgeschwindigkeiten u_b dargestellt.

In allen dargestellten Fällen beträgt die Temperatur des Kühlmediums T_sys = 100°C und der absolute Systemdruck p_sys = 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 ),

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).

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.

Zusammenfassend lässt sich als Ergebnis der Vergleichsversuche festhalten:

• 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.

• Aufgrund der größeren Oberflächenrauhigkeit konnte eine deutliche Verbesserung des einphasigen Wärmeübergangs bei der Verwendung des Probekörpers mit poröser Oberfläche gegenüber der Standardhülse festgestellt werden.

• 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.

Claims

Patentansprüche

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 ) der

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.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierte Oberfläche eine mittlere Oberflächenrauhigkeit Ra im Bereich von 1 bis 1500 μm aufweist.

3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierte Oberfläche eine poröse Struktur aufweist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Größe der Poren der mikrostrukturierten Oberfläche im Bereich von 1 bis 500 μm liegt.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Porenanteil im Bereich von 1 bis 90% liegt.

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.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen der mikrostrukturierten Oberfläche regelmäßig angeordnet sind.

8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen der mikrostrukturierten Oberfläche stochastisch angeordnet sind.

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.

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.

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.

12. Verfahren zur Herstellung von einer Vorrichtung zum Kühlen einer Verbrennungskraftmaschine, wobei man einen Kühlkreislauf für ein flüssiges

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.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei man die mikrostrukturierte Oberfläche durch mechanische und/oder chemische Bearbeitung der Wände erzeugt.

14. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei man die mikrostrukturierte Oberfläche durch Auftragen oder Abscheiden eines Beschichtungsmaterials auf den Wänden erzeugt.

15. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei man die mikrostrukturierte Oberfläche bei Gießen der Verbrennungskraftmaschine erzeugt.