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Dokumentenidentifikation DE19503704C1 01.02.1996
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer strömungsgünstigen Oberflächenstruktur von Gaskanälen
Anmelder MTU Motoren- und Turbinen-Union Friedrichshafen GmbH, 88045 Friedrichshafen, DE
Erfinder Velji, Amin, Dr.-Ing., 88094 Oberteuringen, DE;
Bächle, Berhard, Dipl.-Ing., 88045 Friedrichshafen, DE;
Freitag, Martin, Dr.-Ing., 88045 Friedrichshafen, DE;
Effelsberg, Erwin, Dr.-Ing., 88048 Friedrichshafen, DE
DE-Anmeldedatum 04.02.1995
DE-Aktenzeichen 19503704
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.02.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.02.1996
IPC-Hauptklasse B05D 7/22
IPC-Nebenklasse B05D 1/02   F02M 35/10   F01N 7/08   F02B 77/02   
Zusammenfassung Es werden ein Verfahren zur Herstellung von strömungsgünstigen Oberflächen von Gaskanälen einer Brennkraftmaschine und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung vorgeschlagen, welche eine beliebige Modifizierung der von Gasen überstrichenen Kanaloberflächen ermöglicht. Das Verfahren sieht eine nachträgliche Innenbearbeitung der Kanaloberfläche vor, bei welcher geeignetes Material mittels einer Sprühdüse gezielt auf die Kanalinnenwandung aufgetragen wird. Mit entsprechenden vorrichtungsmäßigen Anpassungen und einer gegebenenfalls wiederholten Durchführung des Verfahrens können gewünschte Oberflächenstrukturen beliebig ausgebildet werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer strömungsgünstigen Oberfläche von Gaskanälen für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 und eine Vorrichtung mit welcher die strömungsgünstige Oberfläche von Gaskanälen hergestellt werden kann.

Bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei schnellaufenden Motoren, treten beim Ladungswechsel strömungsmechanische Verluste auf. Ursachen für diese Ladungswechselverluste sind die innere Reibung der durch die Strömungskanäle strömenden Gase und die Reibung der Gase beim Entlangströmen an den Wandungsoberflächen dieser Kanäle. Hierbei ist es bekannt, diese Verluste, insbesondere den Reibungswiderstand zwischen Gas und Wandungen, durch das Anbringen einer strömungsgünstigen Oberflächenstruktur an der von den Gasen überstrichenen Oberfläche zu reduzieren. So ist aus der DE 42 02 531 C1 eine Saugrohranlage bekannt, bei der die von der Frischluft überströmten Innenflächen der Saugrohre eine definierte Oberflächenstruktur aufweisen, welche aus feinen Rillen mit sägezahnförmigem Querschnitt bestehen. In dieser Druckschrift wird ferner vorgeschlagen, für bestimmte Formgebungen der Motorsaugrohranlage nur bestimmte Bereiche der überströmten Fläche mit einer geeigneten Oberflächenstruktur zu versehen oder in verschiedenen Bereichen der Oberflächen unterschiedliche Oberflächenstrukturen vorzusehen.

Zur Herstellung der definierten Oberflächenstruktur wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, die gewünschte Oberflächenstruktur auf einem Formkern auszubilden, so daß diese dann beim Ummanteln des Formkerns mit Kunststoff, also bereits beim Urformprozeß der Saugrohranlage, an den jeweiligen Oberflächenbereichen der Gaskanäle dargestellt wird.

Obwohl mit dem beschriebenen Verfahren eine gleichmaßig gute Strukturierung der Kanalinnenwandungen hergestellt werden kann, so hat sie dennoch durch das Herstellungsverfahren bedingte Nachteile. Ein wesentlicher Mangel dieses Herstellungsverfahrens ist die bereits bei der Herstellung der Formkernoberfläche aufgrund mechanischer Fertigungsverfahren festgelegte regelmäßige Oberflächenstruktur.

Damit ist die Obenflächenbeschaffenheit der Gaskanäle bereits zum Zeitpunkt der Formkernherstellung in ihrer endgültigen Ausbildung festgelegt. Eine nachträgliche Modifizierung der Oberflächenstruktur ist nicht mehr möglich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein effizientes und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung strömungsgünstiger Oberflächenstrukturen von Gaskanälen aufzuzeigen, mittels welchem Kanalmodifikationen an fertiggestellten Gaskanälen gezielt und einfach vorgenommen werden können.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung für das Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und für die Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 4 gegeben. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, die Kanaloberflächenstruktur nachträglich durch Bearbeitung der abgegossenen Gaswechselkanäle auszubilden. Für diese nachträgliche Innen-Bearbeitung wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem ein geeignetes Material auf die Kanalinnenwandungen aufgebracht, bevorzugt aufgesprüht, wird. Bei entsprechender Materialauswahl kann so in Abhängigkeit der aufgebrachten Materialpartikel, der sogenannten Materialflockengröße, die Beschaffenheit der zu gestaltenden Oberflächenstruktur gezielt hergestellt werden. Dabei bietet das nachträgliche Aufbringen bzw. Aufsprühen des Beschichtungsmaterials den Vorteil, daß die Beschaffenheit der zu gestaltenden Oberflächenstruktur ohne örtliche Begrenzung und mit der gewünschten Strukturierung im Gaskanal dargestellt werden kann. Insbesondere bietet die nachträgliche Ausbildung der Oberflächenstruktur die Möglichkeit, die Strömungsgeschwindigkeit der Gase an ganz bestimmten Stellen oder Bereichen im Kanal mittels jeweils geeigneter Strukturierung ganz gezielt den Erfordernissen anzupassen.

Unterschiedliche Rauheitsgrade des Oberflächenauftrags können erfindungsgemäß mittels unterschiedlich großen Materialflocken bzw. Sprühtropfen, aber auch durch wiederholten Materialauftrag, den Erfordernissen entsprechend, an jeder beliebigen Stelle des Gaskanals ausgebildet werden. Die Flockengröße ist dabei durch das gewählte Auftragsmaterial sowie durch die zur Aufbringung verwendete Sprühvorrichtung bestimmt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung der strömungsgünstigen Oberflächenstruktur von Gaskanälen umfaßt im wesentlichen eine Sprühdüse, welche über ein rohrförmiges Verbindungsstück mit einer Fördereinrichtung für das aufzubringende Material verbunden ist. Durch geeignete Dimensionierung des Verbindungsstücks und der daran ausgebildeten Sprühdüse können bei entsprechender Handhabung sämtliche Abschnitte des Strömungskanals erreicht werden. Eine geeignete Abgleichung von Förderleistung und Materialeigenschaft legt sowohl die Auftragsdicke als auch die Auftragstopographie fest.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In Fig. 1 ist schematisch ein Teil eines mit Hilfe eines entsprechenden Modells abgegossenen Zylinderkopfes dargestellt. Dieser Zylinderkopfteil 1 zeigt die Einlaßseite, d. h. die konstruktiven Verhältnisse, wie sie bei einem Einlaßkanal einer Brennkraftmaschine prinzipiell vorliegen. Die Geometrie des Gaskanals im Zylinderkopf wird unter strömungsgünstigen Gesichtspunkten festgelegt. So weist der Einlaßkanal 2 einen im wesentlichen kreisrunden Querschnitt auf und ist torusförmig im Zylinderkopf geführt. Neben der hier dargestellten Kanalgeometrie, sind ferner noch komplizierter gestaltete Kanäle, wie z. B. Drallkanäle, bekannt, auf die das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls angewendet werden kann. Die Formgebung herkömmlicher Einlaßkanäle mit mehrdimensional gekrümmten Kanalwandungen macht eine mechanische Nachbearbeitung der Innenwandungen der Kanäle nahezu unmöglich. Außerdem ragt in diesen vielgekrümmten Einlaßkanal 2 jeweils ein Gaswechselventil, hier das Einlaßventil 3 bzw. dessen Ventilstößel 12, hinein. Dieser Ventilstößel 12 und eine zur Führung des Ventils vorzusehende Ventilführung 13 machen die Geometrie des Einlaßkanals zusätzlich aufwendig.

Der dargestellte Einlaßkanal 2 ist in Wandungsbereichen, an welchen die Gase vorbeistreichen, mit der erfindungsgemaß aufzutragenden Materialschicht 11 zur Verbesserung der Strömungseigenschaften zwischen der Kanalwandung und den vorbeiströmenden Gasen beschichtet.

Zum Aufbringen des Materials 11 auf die Kanalinnenwandungen dient die erfindungsgemaße Auftragvorrichtung 4. Diese Auftragvorrichtung 4 besteht im wesentlichen aus einem Verbindungsstück 5, an dessen vorderen freien Ende eine Sprühdüse 6 angeformt ist. Das Verbindungsstück 5 ist in dem dargestellten Beispiel als Rohr ausgebildet, dessen Form und Länge so gewählt ist, daß mit der daran angeformten Sprühdüse Abschnitte des Strömungskanals von außen erreicht werden können, welche für herkömmliche mechanische Bearbeitungsverfahren bisher nicht zugänglich waren. Hierzu mündet die Sprühdüse 6 im Winkel zu Längsachse des Verbindungsstückes und leitet damit das durch sie hindurchströmende Auftragsmaterial jeweils an die gewünschte Stelle des Gaskanals. Die Düsenöffnung 14 ist in Form und Abmessung an das zur Kanalinnenbeschichtung verwendete Material abgestimmt. Die Verteilform und damit die Größe der Materialflocken wird mithin durch die Düsenöffnungsform und die Düsenquerschnittsfläche bestimmt. Je nach gewünschter Oberflächenstruktur der Kanalbeschichtung kann also durch geeignete Wahl der Düsenform und Düsengröße gezielt Einfluß auf den Materialauftrag genommen werden.

Durch diesen nachträglichen Materialauftrag kann die Oberflächenstruktur des Einlaßkanals - oder nur bestimmter Passagen davon - in einfacher Weise wiederholt modifiziert werden. Daher haben das erfindungsgemäße Verfahren und die vorgeschlagene erfindungsgemäße Vorrichtung besondere Bedeutung für Versuch- und Anpassungszwecke von Gaskanälen. So beispielsweise bei Blasversuchen, wo zur Optimierung einer strömungsgünstigen Gestaltung von Gaskanälen, durch gezielte Kanalmodifikation, schrittweise die für die gewünschten Einströmverhältnisse günstigste Gestaltung des Einlaßkanals empirisch ermittelt wird.

Zur Durchführung derartiger Anpaßarbeiten wird die erfindungsgemäße Auftragsvorrichtung in der Art einer Sonde von außen in den Einlaßkanal 2 eingeführt und in Richtung des Pfeiles 9 und/oder der Pfeilrichtung 10 geführt. Gleichzeitig wird mittels einer über eine Kupplung 7 mit der Auftragsvorrichtung 4 verbundene Fördereinrichtung 8 das aufzutragende Material durch das Verbindungsstück und durch die Düse gefördert.

Für Anpaßarbeiten kann die Auftragsvorrichtung manuell geführt werden. Bei entsprechender Positionierung der Auftragvorrichtung 4 und des Zylinderkopfes 1 kann der Sprühstrahl jedoch auch maschinell geführt werden. Während eine manuelle Betätigung, bevorzugt bei versuchsbedingten Modifikationen zum Einsatz kommen dürfte, kann dagegen mit einer gesteuerten maschinellen Betätigung eine bestimmte Kanalmodifikation wiederholt an zahlreichen Zylinderköpfen bzw. Einlaßkanälen vorgenommen werden.

Durch das Aufsprühen des aufzutragenden Materials lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren z. B. beliebige Noppenstrukturen der Kontaktflächen herstellen. Die Oberflächenbeschaffenheit dieser Schicht bzw. die Makrogeometrie der Kanäle legt die darin örtlich auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten der daran vorbeiströmenden Gase fest. Soll neben der Oberflächenbeschaffenheit außerdem eine Veränderung der Gaskanaldimension vorgenommen werden, so bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, durch mehrfaches Aufbringen von Auftragsmaterial die Beschichtungsdicke lokal unterschiedlich zu gestaltet.

Neben dem beschriebenen Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Modifikation von Einlaßkanälen, bieten diese mit Hinblick auf die Gestaltung von Auslaßkanälen auch die Möglichkeit der Nachbildung eines Port-Liners.

Ein solcher Port-Liner dient durch seine Art und Form der Wärmeisolation der umliegend angeordneten Motorbaugruppen gegenüber den heißen Verbrennungsabgasen und zum Schutz des Auslaßkanals vor den hochkorrosiven Verbrennungsabgasen. Bei entsprechender Wahl des aufzubringenden Materials kann dabei sogar ein bestimmter Wärmeübergang von den Gasen auf den Auslaßkanal empirisch festgelegt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung von strömungsgünstigen Oberflächen von Gaskanälen einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet daß die Oberflächen mit einer strömungsgünstigen Struktur versehen werden, welche durch eine nachträgliche Bearbeitung der Kanaloberflächen ausgebildet wird, wobei geeignetes Material mittels einer Sprühdüse gezielt auf die Kanalinnenwandungen aufgebracht wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Oberflächenstruktur entsprechend gewünschter strömungsmechanischer Eigenschaften ungleichförmig im Kanal ausgebildet wird.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Beschaffenheit der Oberflächenstruktur durch die Tröpfchengröße des zur Bildung der Oberflächenstruktur auf die Kanaloberfläche aufgebrachten Materials bestimmt wird.
  4. 4. Vorrichtung zur Herstellung von strömungsgünstigen Oberflächen in Gaskanälen, einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet daß ein rohrförmigbauendes Verbindungsstück (5) vorgesehen ist, welches an seinem freien Ende eine Sprühdüse (6) aufweist und mit seinem anderen Ende mit einer Fördereinrichtung (8) für das auf die Kanalinnenwandungen aufbringende Material verbunden ist, wobei die Länge des Verbindungsstücks (5) und die Ausbildung der Sprühdüse (6) auf die geometrische Ausbildung der Gaskanäle abgestimmt sind.






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