CN1524161A - 内燃机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内燃机(10)，具有至少一个由一个气缸(12)和一个在气缸中可运动的活塞(14)围成的燃烧室(16)。本发明建议，燃烧室(16)和/或其邻接空间的至少一个构件的与可燃空气燃料混合物和/或机油相接触的表面至少局部具有催化涂层用以氧化结焦残渣。

Description

内燃机
本发明涉及一种具有权利要求1前序部分所述特征的内燃机。
具有外部混合或者内部混合的这种内燃机(往复活塞式马达)已经公知。这种内燃机通常具有多个气缸，其中一个轴向可动的活塞围出一个燃烧室，输入的空气燃料混合物在燃烧室中燃烧。
这种内燃机公知的问题是被供入的燃料和机油的所谓结焦残渣。这是沥青类和一部分复杂的碳氢化合物的混合物，它们会沉积并聚集在气门、活塞表面、进气管、喷油嘴和燃烧室顶部上。这种结焦残渣尤其会在进气门上积累，以致引起气门的流动动力学或者关闭性能的不希望的变化。在燃烧室的其它构件表面例如活塞工作表面也会受到结焦残渣的不利影响。结焦问题尤其发生在燃油直喷式内燃机。
本发明的任务是提供一种构件结焦减少的内燃机。
上述任务是通过具有独立权利要求1中所述特征的内燃机来解决的。根据本发明，燃烧室的至少一个构件的与燃烧室中可燃空气燃料混合物和/或机油相接触的表面至少局部具有催化涂层，该涂层用于氧化供入燃烧室的燃料和机油的结焦残渣。根据本发明的涂层尽管不能抑制结焦残渣的焦化和沉积，但催化剂与通常工作温度下的层之间临界面上的含碳层的迅速氧化在气流作用下能够及时地分解沉积。以此方式很大程度上甚至完全抑制了结焦残渣在相关表面上的形成。因此构件或者马达的功能在其寿命期间不会受到不利影响。
特别有利的是氧化钒涂层尤其是五氧化二钒V2O5，必要时也可以添加其它的化合物，后面将详述。具有五氧化二钒涂层的构件已证明能够在约300℃以上的温度下也就是在通常的工作温度以上迅速地氧化灰化结焦残渣。在该过程中减少了的五氧化二钒会本能地再氧化，从而使其具有催化作用。相反，未涂层的构件本身在温度高于400℃时积碳不再燃烧，更具体说，它们倾向于特别不利地焙烧通常是钢制或者铝制的构件。同样有利的涂层也可以用三元氧化钒化合物来代替或者添加于氧化钒中，尤其是成分为V2O5-xNx的氮氧化钒或者碳氧化钒V2O5-xCx，其中0≤x≤1。
如上所述，特别有利的是用作“基础催化剂”的二元或三元氧化钒涂层还含有其它添加剂。这些添加剂的任务是更强地克服结焦残渣的积碳或者使基础催化剂的催化最低温度向更低温移动。此外，这些添加剂可以改善所喷射的油碳混合物的加热性能并通过不完全氧化、裂化反应和转移反应加速结焦残渣中高沸点碳氢化合物成分的蒸发。这里，作为添加剂可以用金属化合物尤其是金属氧化物。特别优选的是，氧化铈尤其是二氧化铈CeO2。此外也可以考虑其它稀有金属的氧化物和/或镧的氧化物。其它适宜的化合物是过渡金属氧化物，尤其是铁族(Fe，Co，Ni)，铂族(Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt)，铜族(Cu，Ag，Au)和/或锌族(Zn，Cd，Hg)。
在相关构件的表面是涂覆涂层最好借助等离子和/或离子支持的真空方法。尤其是通过在氧气存在的情况下电弧蒸发适当的对阴极(Target)。为了产生纯净的五氧化二钒涂层，蒸发一个用纯净钒构成的对阴极，其中被蒸发的钒立即与现有的氧气反应，以V2O5的形式沉积在被涂覆表面上。而为了产生一个带有一种或多种添加剂的氧化钒层，则可以采用一个由钒和相应的其它金属的混合物和/或合金构成的对阴极。也可以不采用上述方式，而是先后进行钒对阴极的电弧蒸发和至少一种另外的金属对阴极的蒸发。
此外也可以通过一种适当的钒化合物尤其是氮化钒或者碳化钒施加到待涂覆表面上以随后在氧气存在的情况下在温度大约为350℃到450℃时氧化，从而产生一种纯净的氧化钒涂层。
为了将一种金属添加剂分配给已经产生的一个二元或三元氧化钒，另外可以通过“化学浸渍”进行。这里，将一种待添加金属的金属盐溶液，尤其是含酒精的硝酸盐，加到基础催化剂涂层中，随后提供氧气进行热氧化。
产生氧化钒涂层的另一种方案是用SOL-GEL法。这里，首先产生一种凝胶，为此例如将异丙醇钒(Vanadiumisopropoxid)与铈的醇盐(Ceralkoholat)按希望的数量比例混合，最后掺入聚乙二醇(Polythylenglycol)。如此产生的凝胶涂到希望的表面上，然后在一个多级热解过程中经受约400℃到500℃的温度，最好是425℃到475℃，尤其是450℃。通过这样一种热解过程产生一种由五氧化二钒(V2O5)和二氧化铈(CeO2)构成的毫微结构的膜，具有很高的催化活性。
本发明其它优选的设计方案是从属权利要求的主题。
下面借助附图以实施例形式详细描述本发明。
唯一的附图是内燃机中与燃烧室相关的零部件剖视图。
整体用10标示的内燃机中仅示出了一个气缸12。很显然，内燃机10也可以具有不同布置形式的多个气缸12。在气缸12中轴向可动地设置了一个活塞14，其纵向运动转换为一个未示出的曲轴的旋转运动。在气缸12的内腔中通过活塞14限定出一个燃烧室16，该燃烧室由活塞环15密封。在气缸12的一个气缸头18中一侧连通一个进气管20，通过该进气管输入空气到燃烧室16，另一侧连通排气管22，排气管将废气排出。进气管20和排气管22的启闭通过进气门24或排气门26进行，它们通过一个未示出的凸轮轴非同步操作。很显然，也可以有多个配备相应气门的进气管和排气管，例如分别有两个。输入燃烧室16的空气流根据负荷通过一个可控的装在进气管20中的节气门28调节。在气缸头18中还有一个高压喷油阀30用于喷射燃料到燃烧室16中以及一个火花塞32用于点燃空气燃料混合物。虽然这里以火花点火的内燃机为例描述本发明，但本发明同样可用于柴油机中。
如上所述，直喷式内燃机，尤其是在稀薄的分层运转时，存在被输入的燃料和机油结焦从而在燃烧室16的不同构件的表面上沉积结焦残渣的问题。不断增加的积碳沉积会导致内燃机10的功能受损。尤其是进气门和排气门24，26的气门表面36上以及进气管和排气管20，22的内壁上的结焦残渣会引起气门24，26的关闭性能和流进的空气的流动动力学发生不利的变化。在通常精确成型的活塞底部34上或者气缸头18的燃烧室顶部的积碳同样会导致对燃烧室16中的流动性能产生不利影响，活塞工作面38和气缸工作面40上的结焦残渣会干扰活塞运动。最后，喷油阀30的操作功能会因喷油嘴上的积碳受到不利影响。
根据本发明，前述的受损表面至少局部涂覆以催化涂层，它能使粘附的结焦残渣迅速氧化并因此能够在通常的工作温度下催化它们的分解。优选的是，该涂层包含一种基于五氧化二钒的氧化作用的催化剂，其有效性通过添加剂例如氧化铈、氧化钨和/或氧化钼可以进一步提高。此外还可以添加这样的材料，其能够使积聚在粘性沥青类物质中的高沸点碳氢化合物迅速氧化。
在第一种实施例中，借助PVD法(物理蒸发沉积)，例如带有阴极电弧放电的PVD法，对阴极成分为在真空中82％的钒和18％的铈，在氧气压力为5×10-3毫巴下在进气门24的表面36上涂上一种钒-铈氧化物混合相。这里首先产生一种分子式为(CeyVy)O2-x的亚氧化物，通过随后的在空气中的自发再氧化迅速氧化成CeO2/V2O5。
在另一个实施例中，制造了一种类似的层。首先在相同的工艺条件下通过蒸发纯净的钒对阴极在进气门24的表面36上沉积一个亚氧化钒层(氧的数为＜5)。然后，用一种含酒精的铈硝酸盐在亚氧化钒层上喷涂薄薄的一层硝酸铈膜。通过在≥400℃的温度下热解，由亚氧化钒和铈盐构成相应的混合氧化物，其中两种金属分别具有最高的氧化级数，就是说+5或者+4。
这种涂覆后的气门在实验炉中进行了模拟试验。证明碳油膜在温度低于300℃时由于临界面氧化已经从气门表面分离。在五氧化二钒涂层中的微量元素铈，镍，铬，锌和/或钼进一步减少了大片沥青状结焦残渣的形成。这显然归因于机油的迅速蒸发和由此引起的表面灰尘颗粒附聚倾向减小。
产生氧化钒涂层的另一种方案是用SOL-GEL法涂覆。这里，首先产生一种凝胶，为此例如将异丙醇钒(Vanadiumisopropoxid)与铈的醇盐(Ceralkoholat)按希望的数量比例混合，最后掺入聚乙二醇(Polythylenglycol)。如此产生的凝胶涂到希望的表面上，然后在一个多级热解过程中经受约400℃到500℃的温度，最好是425℃到475℃，尤其是450℃。通过这样一种热解过程产生一种由五氧化二钒(V2O5)和二氧化铈(CeO2)构成的毫微结构的膜，具有很高的催化活性。

Claims (17)

1.内燃机(10)，具有至少一个燃烧室(16)，该燃烧室由一个气缸(12)和一个在气缸中可运动的活塞(14)围成，其特征在于，燃烧室(16)和/或其邻接空间的至少一个构件的与可燃空气燃料混合物和/或机油相接触的表面至少局部具有催化涂层用以氧化结焦残渣。
2.按照权利要求1所述的内燃机(10)，其特征在于，所述涂层包括一种氧化钒，尤其是五氧化二钒。
3.按照权利要求1或2所述的内燃机(10)，其特征在于，所述涂层包括一种三元的氧化钒化合物，尤其是成分为V2O5-xNx的氮氧化钒或者碳氧化钒V2O5-xCx，其中0≤x≤1。
4.按照权利要求2或3所述的内燃机(10)，其特征在于，所述涂层至少包括一种另外的至少一种金属的化合物，尤其是一种金属氧化物。
5.按照权利要求4所述的内燃机(10)，其特征在于，所述至少一种另外的化合物是氧化铈，尤其是二氧化铈(CeO2)。
6.按照权利要求4所述的内燃机(10)，其特征在于，所述至少一种另外的化合物是一种过渡金属氧化物，尤其是铁族，铂族，铜族和/或锌族。
7.按照前述权利要求之一所述的内燃机(10)，其特征在于，所述至少一个构件是一个进气门(24)，一个排气门(26)，一个进气管(20)，一个排气管(22)，一个喷油阀(30)，活塞(14)和/或气缸(12)。
8.按照前述权利要求之一所述的内燃机(10)，其特征在于，所述表面是进气门(24)和/或排气门(26)的气门表面(36)，进气管(20)和/或排气管(22)的内壁，喷油阀(30)的喷油嘴和/或活塞(14)的工作面(38)和/或气缸(12)燃烧室顶部。
9.按照前述权利要求之一所述的内燃机(10)，其特征在于，内燃机(10)具有一个燃油直喷系统，借助该系统燃料可以直接喷射到燃烧室(16)中。
10.按照权利要求1至9之一所述的内燃机(10)，其特征在于，涂层借助等离子和/或离子支持的真空方法涂覆到所述表面上。
11.按照权利要求10所述的内燃机(10)，其特征在于，所述涂层通过在氧气存在的情况下电弧蒸发一个钒(V)制的对阴极或者一个由钒和至少另外一种金属的合金构成的对阴极或者先后进行钒(V)对阴极的电弧蒸发和至少另外一种金属对阴极的蒸发。
12.按照权利要求1至9之一所述的内燃机(10)，其特征在于，所述涂层是通过施加一种钒化合物，尤其是一种氮化钒或者碳化钒，随后在氧气存在的情况下热氧化，从而涂到所述表面上。
13.按照权利要求1至9之一所述的内燃机(10)，其特征在于，所述至少一种金属通过在氧化钒层或者三元的氧化钒化合物层上施加一种金属盐溶液，随后在氧气存在的情况下热氧化，从而装到涂层上。
14.按照权利要求1至9之一所述的内燃机(10)，其特征在于，所述涂层通过在所述表面上涂一种凝胶随后进行热解过程涂覆到所述表面。
15.按照权利要求14所述的内燃机(10)，其特征在于，所述凝胶由一种异丙醇钒(Vanadiumisopropoxid)与铈的醇盐(Ceralkoholat)构成。
16.按照权利要求15所述的内燃机(10)，其特征在于，所述凝胶掺入聚乙二醇。
17.按照权利要求16所述的内燃机(10)，其特征在于，涂到希望表面上的凝胶在约400℃到500℃的温度下进行热解过程。
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