DE102007063566B4

DE102007063566B4 - Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007063566B4
Application number: DE102007063566.6A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2027-12-28
Also published as: DE102007063566A1

Abstract

Brennkraftmaschine mit ganzen Motorkomponenten aus geschäumtem Material im brennraumbegrenzenden Bereich, wobei ganze Motorkomponenten der Brennraumkonstruktion aus einer metallischen warmfesten oder hochwarmfesten Legierung ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine.
Bei Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik wird die zugeführte Brennstoffenergie nur zu etwa einem Drittel in Nutzarbeit/-energie umgesetzt. Etwa ein weiteres Drittel wird als Verlustwärme/-energie indirekt über Gehäuseteile an das Kühlsystem abgeführt.
Bei Brennkraftmaschinen werden die Bauteile Zylinderkopf, Kolben, Arbeitszylinder, Ventile in der Regel aus Vollmaterial hergestellt. Für Kolben und Zylinderkopf werden überwiegend Aluminiumlegierungen verwendet und für Arbeitszylinder überwiegend Stahlgusslegierungen. Arbeitszylinder werden beispielsweise als nasse Laufbuchsen eingebaut oder sind direkt in das Motorblockgehäuse integriert. Motorbauteile sind heute so konstruiert, dass sich bei Volllast an Zylinderkopf und Kolben eine maximale Oberflächentemperatur von ca. 350°C einstellt, an Zylinderwandungen ca. 250°C, an Ventiloberflächen bis ca. 800°C. Höheren Temperaturen waren die oben angeführten Bauteile von Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik nicht gewachsen. Die Brennkraftmaschinen sind durch ihre Konstruktion, Auswahl von Materialien und Kühlungsmaßnahmen derart ausgelegt, dass diese Temperaturen nicht überschritten werden, um beispielsweise Abschmelzen von Material zu vermeiden.
Während des Arbeitstaktes kommt es bei Brennkraftmaschinen infolge der Verdichtung der angesaugten Luft, oder des Kraftstoff-Luft-Gemisches, und der Verbrennung des Kraftstoffs zu Temperaturen im gasförmigen Arbeitsgemisch bis ca. 2500°C.
Nachteilig am Stand der Technik ist der hohe Temperaturunterschied zwischen dem arbeitenden Gas und den brennraumbegrenzenden Bauteilen, wie beispielsweise Zylinderkopf, Kolben, Ventile und/oder Zylinderwandung, während des Arbeitstaktes. Der Temperaturunterschied ist die treibende Kraft für einen Wärmestrom vom arbeitenden Gas in die Bauteile der Maschine.
Die Wärmeenergie wird während des Arbeitsprozesses durch Konvektion und durch Strahlung bzw. Gasstrahlung in die Brennraumwandungen eingeleitet. Durch diesen Wärmestrom während des Arbeitstaktes sinkt die Temperatur des Arbeitsgases, was eine Druckverminderung im Brennraum zur Folge hat. Es handelt sich um einen Verlustwärmestrom, da die Druckverminderung während des Arbeitstaktes zu geringerem Drehmoment und damit geringerer Leistung der Brennkraftmaschine führt.
Versuche, diesen Wärmestrom mit keramischen Verkleidungen zu minimieren, wie sie beispielsweise in der DE 3331579 A beschrieben sind, führten zu keiner zufriedenstellenden Lösung des beschriebenen Problems. Mit Keramik wurde zwar ein Material geringer Wärmeleitfähigkeit und hoher Temperaturbeständigkeit verwendet; nachteilig erweist es sich hierbei jedoch, dass Keramik einen hohen Strahlungskoeffizienten besitzt und die Verkleidungen die verkleideten Bauteile nach dem Stand der Technik vollflächig berühren. Zeitlich wird etwa während der ersten Hälfte des Arbeitstaktes Wärmeenergie von den Oberflächen der Keramik aufgenommen. Die Zeitgrößenordnung für diese erste Hälfte des Arbeitstaktes liegt in einer Größenordnung von 1/100 bis 1/1000 Sekunde. Während der Restzeit des gesamten Arbeitsspiels, was beim Viertaktmotor der zweiten Hälfte des Arbeitstaktes, dem Ausschieben, dem Ansaugen und dem Verdichten entspricht, wird infolge des hohen Strahlungskoeffizienten der Keramik Wärmeenergie an systembedingt kältere Bauteilwandungen, wie beispielsweise eine Zylinderwandung, abgestrahlt. Teilweise wird Wärmeenergie in die weiter entfernten Bauteilzonen abgleitet, da zu den verkleideten Bauteilen keine ausreichende Isolation besteht. Diese Wärmeenergie wird im Zeitverlauf weiter durch die Bauteile geleitet und geht schließlich als Kühlenergie verloren. Da der Zeitabschnitt der Energieaufnahme, was der ersten Hälfte des Arbeitstakts entspricht, nur etwa ein Achtel der Gesamtzeit des Arbeitsspiels dauert, demgegenüber der Zeitabschnitt der Energieabgabe aber 7/8 der Gesamtzeit des Arbeitsspiels dauert, kommt es durch die erwähnten Nachteile der Keramikkomponenten, ein hoher Wärmeabstrahlungskoeffizienten und vollflächigem Schluss mit den verkleideten Bauteilen, nicht zu deutlich erhöhten Oberflächentemperaturen, was jedoch die Voraussetzung für eine Verringerung des Wärmestroms vom arbeitenden Gas in die Bauteile ist. Mit Keramik lässt sich aus der Erfahrung heraus nicht einmal der positive Isolationseffekt wettmachen, der bei den etwas kälter gefahrenen herkömmlichen Motormaterialien, wie Aluminium und/oder Stahlgusslegierungen, durch die isolierenden Rußablagerungen hervorgerufen wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die die aufgezeigten Nachteile nicht aufweist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine zu schaffen, die derart ausgebildet ist, dass die Verlustwärme verringert wird, ein erhöhter Wirkungsgrad erreicht wird, sowie Schadstoffe und CO2-Emissionen verringert werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst. Des Weiteren werden die Schadstoff und CO2-Emissionen der Brennkraftmaschine verringert.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, für die Motorkomponenten selbst, wie Kolben, Zylinderkopf, Zylinder und Motorgehäuse eine aufgeschäumte und damit stark isolierende warmfeste Metalllegierung verwendet wird. Die Struktur ist derart ausgebildet, dass die Bauteile einen zellulären Kern mit kompakter Außenhaut aufweisen. Die Bauteile können jedoch auch aus einem Schaumblock herausgearbeitet sein, eine kompakte Außenhaut ist dann nicht vorhanden.
Der Effekt des stark verringerten Verlustwärmestroms durch die Brennraumwände stellt sich durch diese Maßnahme ein.
Hierbei ist festzustellen, dass Ventile, speziell Auslassventile, von Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik aufgrund einer extremen Temperaturbeanspruchung durch die ausströmenden Verbrennungsgase thermisch hoch beansprucht sind und daher hochwarmfest ausgebildet sind. Die Wärmeabgabe des Ventils an den Zylinderkopf ist aufgrund seiner Relativbewegung der Teile zueinander eher als gering anzusehen.
Die Bauteile müssen mindestens warmfest sein, damit sie bei den hohen Oberflächentemperaturen, den mechanischen und thermischen Belastungen gewachsen sind.
Hierbei ist es als unerheblich anzusehen, ob es sich bei der Brennkraftmaschine um einen Drehkolbenmotor oder Hubkolbenmotor handelt.
Es hat sich sogar als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Einzelbauteile der entsprechenden Brennkraftmaschine komplett hochwarmfesten Material ausgebildet sind. Der Isolationseffekt bei aufgeschäumtem Material kann mit dem von Styropor verglichen werden. Hierzu ist das warmfeste Material zwingend erforderlich, da die Bauteile sonst den thermischen Belastungen nicht gewachsen wären.
Durch die vorgehend beschriebene Maßnahme steigt die Oberflächentemperatur brennraumseitig während des Gesamtprozesses an und somit auch während des Arbeitstaktes. Als Ergebnis wird der Verlustwärmestrom während des Arbeitstaktes reduziert.
Das Material für diese Bauteile ist folgendermaßen beschaffen: warmfeste oder hochwarmfeste Legierung mit einer Zeitstandfestigkeit Rm 1000 und einer 0,2% – Dehngrenze bei 600°C über 100 N/mm², vorzugsweise über 300 N/mm².
Die Struktur der Bauteile ist folgendermaßen beschaffen:
Metallschaum mit zellularer Struktur im Inneren und kompakter Außenhaut, wobei die Strukturen im Außenbereich nicht offenporig ausgebildet sind. Derartige ausgestaltete Bauteile werden zum Beispiel durch Aufschäumen mit Gasblasen hergestellt. Sind die Bauteile aus einem Metallschaumblock herausgearbeitet, weisen diese jedoch keine kompakte Außenhaut auf.
Der durch die Erfindung hervorgerufene Effekt lässt sich noch durch weitere Maßnahmen verstärken. Da bei den erreichten hohen Temperaturen die Wärmeübertragung durch Strahlung eine entscheidende Rolle spielt, können die zusätzlich mit einer wärmestrahlungsmindernden Schicht (z. B. vergoldet und poliert) ausgestattet sein. So würden die Bauteile, an denen eine hohe Oberflächentemperatur (1200°K an Kolbenböden, Kolbenmulden, Zylinderkopf, Einlass- und Auslassventilen) weniger der aufgenommenen Wärmeenergie wieder an konstruktionsbedingt kältere Bauteile (z. B. von Kolbenringen überstrichene Zylinderlaufflächenanteile) abstrahlen.
Die Oberflächenbeschaffenheit der Bauteile kann deshalb folgendermaßen ausgebildet sein:

– geringe Strahlungsemission durch glatte ggf. polierte Oberflächen, welche zum Beispiel durch das Verfahren des Elektropolierens ausgebildet sind.
– zusätzliche Beschichtung mit einer strahlungsemissionsmindernden Schicht, als Beispiel kann hier das Vergolden angeführt werden.

Durch die hohe Oberflächentemperatur Bauteile (je nach Betriebszustand bis etwa 1200°K) ergibt sich der Vorteil, dass die Oberflächen für katalytische Umwandlungen genutzt werden können. Zum einen sind die Mindesttemperaturen für katalytische Umwandlungen überschritten, zum anderen ist die Oberfläche bei der hohen Oberflächentemperatur selbstreinigend, d. h. es setzen sich keine Ölkohle oder Verbrennungsrückstände an. Statt Verbrennungsabbruch in Nähe der kalten Wandungen kommt es zum Durchbrennen des Gemischs bis an die Wandung, wodurch zusätzliche Energie entsteht. Ergebnis der nun vollständigen Verbrennung des Gemischs sind verbesserter Wirkungsgrad und geringere Schadstoffemissionen, wie z. B. verringerte Kohlenmonoxydwerte und geringere Anteile an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas. Als Beispiel für das Beschichten mit einer katalytisch wirkenden Schicht kann hier das Platinieren angeführt werden. Eine Beschichtung, die sich durch geringen Strahlungsemissionsgrad in Verbindung mit katalytischer Wirkung auszeichnet, ist ebenfalls möglich.
Verwendung können derartige Bauteile für alle brennraumbegrenzenden Wandungen an Brennkraftmaschinen finden. Hierbei ist es unerheblich, ob es sich um Rotationskolbenmaschinen oder Kolbenbrennkraftmaschinen, die nach dem Otto- oder Dieselprinzip arbeiten, handelt.
Die nachfolgenden Figuren dienen der näheren Erläuterung und Beschreibung.
1: Zeigt den Wärmeleitungswiderstandsverlauf bei einer aufgeschäumten Metalllegierung mit kompakter Außenhaut und zellulärem Kern. Am dargestellten Probewürfel 1 wird in Abhängigkeit Der Koordinate X aufgezeigt, wie sich der Wärmeleitungswiderstand durch Aufschäumen verringert.
2: Zeigt das Temperaturprofil bei einem Leichtmetallbauteil 3 mit einer Verkleidung 2 aus warmfestem Material und Isolationsräumen 21. Die Isolationsräume sind durch eine warmfeste Verkleidung 2 und durch einen Leichtmetallwürfel 3 begrenzt. Wie das Temperaturprofil zeigt, ist im Bereich der Verkleidung 2 ein sprunghaft ansteigender Temperaturverlauf zu erkennen, der zu einer Erhöhung der Oberflächentemperatur an der Verkleidung führt.
Um das Prinzip unabhängig von komplex geformten Bauteilen darzustellen, wurden Probewürfel aus geschäumtem Material bzw. in 2 ein Leichtmetallgrundkörper mit einer Verkleidung versehen dargestellt.
3: Zeigt einen Kolben 5 aus warmfesten Material mit kompakter Außenhaut und zellulärem Kern. Zum Brennraum hin ist der Kolben 5, mit einer strahlungsemissionsmindernden Schicht 4 ausgestattet, welche in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel elektrolytisch aufgebracht wurde. Der Kolben 5 ist mit einer Laufflächensicht 6 ausgestattet, die auch den Träger für den Kolbenring bildet. Alternativ können derartige Schichten mittels PVD- oder CVD-Verfahren aufgebracht werden.
4: Zeigt einen Kolben 8 mit Verkleidung aus warmfestem Material 2, eingearbeitete Isolationsräume 21, und einer strahlungsemissionsmindernden Schicht 4 zum Brennraum hin und Befestigungselementen 7 in Form einer Schraubverbindung.
5: Zeigt einen Kolben 8 mit Verkleidung aus aufgeschäumtem warmfesten Material 10 mit kompakter Außenhaut und zellulärem Kern. Eine Zwischenschicht 11 ist eingebracht und eine katalytisch wirkende Schicht 9 aufgebracht.
6: Zeigt einen Kolben mit Kolbenmulde 13, der mit einer mehrteiligen Verkleidung 12 aus warmfestem Material ausgestattet ist. Die Verkleidungsteile sind formschlüssig hinterschnittig gehaltert.
7: Zeigt eine Zylinderlaufbuchse 14 aus warmfestem Material mit Isolationsräumen 21 zum Motorblock hin und einer aufgebrachten Laufflächenschicht 6.
8: Zeigt eine Laufbuchse 15 mit wärmeisolierender Verkleidung 10 im Bereich der Buchse, die zur Zylinderkopffläche anschließt. Die Verkleidung ist aus aufgeschäumtem warmfesten Material mit zellulärem Kern und kompakter Außenhaut ausgeführt. Isolationsräume zur Erhöhung des Wärmewiderstands zwischen Verkleidung 10 und Laufbuchse 15 sind eingearbeitet.
9: Zeigt ein Ventil 16 mit warmfester Verkleidung 17, eingearbeiteten Isolationsräumen und einem Befestigungselement 7.
10: Zeigt eine Zylinderkopfauskleidung 19 aus warmfesten Material mit zellulärem Kern und kompakter Außenhaut. Es hat sich gezeigt, dass durch das Einbringen einer Zwischenschicht 18 eine Ausgleichseinheit zur Kompensation von unterschiedlichen Materialausdehnungen der Elemente 19 und 20 von Vorteil ist.
Bezugszeichenliste

1: Schnitt durch einen Probewürfel aus warmfester aufgeschäumter Legierung
2: Verkleidung aus warmfestem Material
3: Würfel aus einer Leichtmetalllegierung
4: Strahlungsemissionsmindernde Schicht
5: Kolben aus aufgeschäumten warmfesten Material
6: Laufflächenschicht
7: Befestigungselement
8: Kolben
9: katalytisch wirkende Schicht
10: Verkleidung aus aufgeschäumten warmfesten Material
11: Zwischenschicht
12: Kolbenverkleidung, mehrteilig
13: Kolben mit Kolbenmulde
14: Zylinderlaufbuchse aus warmfestem Material
15: Ausschnitt Motorblock
16: Ventil
17: Verkleidung aus warmfestem Material
18: Zwischenschicht, federnd
19: Zylinderkopfauskleidung aus aufgeschäumtem warmfesten Material
20: Zylinderkopfausschnitt
21: Freiraum

Als Material für die Bauteile kann eine hochwarmfeste Legierung mit einer Zeitstandfestigkeit Rm 1000 bei 600°C über 100 N/mm² und/oder eine 0,2% Dehngrenze bei 600°C von über 100 N/mm² Verwendung finden.
Ebenfalls kann als Material für die Bauteile eine Legierung, die der Hauptgruppe Stahl und der Sortenklasse der hitzebeständigen Stähle angehört und/oder die Warmzugfestigkeit bei 600°C einen Wert von mehr als 100 N/mm² aufweist, verwendet werden. Gemäß den „Stahlgruppennummern für Stahl und Stahlguss” DIN EN 1002-2 können diesen Werkstoffen Stahlgruppennummern 1.47XX(XX) und 1.48XX(XX) zugewiesen sein, wobei die Platzhalter XX hierbei für Zählnummern der Legierungen stehen.
Das verwendete Material kann auch der Hauptgruppe Stahl und der Sortenklasse der hochwarmfesten Werkstoffen angehören und/oder die Zeitstandfestigkeit der Legierung bei 600°C und 1000 Stunden weist einen Wert von mehr als 100 N/mm² auf. Gemäß den ”Stahlgruppennummern für Stahl und Stahlguss” DIN EN 1002-2 können diesen Werkstoffen die Stahlgruppennummern 1.49XX(XX) zugewiesen sein, wobei die Platzhalter XX dabei für Zählnummern der Legierungen stehen.
Die verwendeten Legierungen können auch den Nichteisen-Schwermetallen nach DIN 17007 Teil 4, hier den Sortennummern 2.4000 bis 2.4999 mit Nickel oder Cobalt als Nichteisen-Grundmetall zuzuordnen sein und/oder die Zeitstandfestigkeit der Legierung mit Nickel oder Cobalt als Grundmetall weist bei 600°C und 1000 Stunden einen Wert von mehr als 100 N/mm² auf.
Ebenfalls können Legierungen verwendet werden, deren Hauptlegierungselement Titan ist.
Die Bauteile können ein- oder mehrteilig ausgebildet sein.
Die Bauteile können zusätzlich eine katalytisch wirkende Schicht aufweisen.
Die Komponenten können zusätzlich mit einer strahlungsemissionsmindernden Schicht ausgestattet sein, deren Emissionsgrad ε kleiner 0,10 ist.

Claims

Brennkraftmaschine mit ganzen Motorkomponenten aus geschäumtem Material im brennraumbegrenzenden Bereich, wobei ganze Motorkomponenten der Brennraumkonstruktion aus einer metallischen warmfesten oder hochwarmfesten Legierung ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aufgeschäumte Elemente eine kompakte Außenhaut aufweisen.
Brennkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Material eine hochwarmfeste Legierung mit einer Zeitstandfestigkeit Rm 1000 bei 600°C über 100 N/mm² ist und/oder eine 0,2% Dehngrenze bei 600°C von über 100 N/mm² aufweist.
Brennkraftmaschin nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Material der Hauptgruppe Stahl und der Sortenklasse der hitzebeständigen Stähle angehört, und/oder dass die Warmzugfestigkeit bei 600°C einen Wert von mehr als 100 N/mm² aufweist, gemäß den ”Stahlgruppennummern für Stahl und Stahlguss” DIN EN 1002-2 können diesen Werkstoffen Stahlgruppennummern 1.47XX(XX) und 1.48XX(XX) zugewiesen sein, wobei die Platzhalter XX hierbei für Zählnummern der Legierungen stehen.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Material der Hauptgruppe Stahl und der Sortenklasse der hochwarmfesten Werkstoffe angehört, und/oder dass die Zeitstandfestigkeit der Legierung bei 600°C und 1000 Stunden einen Wert von mehr als 100 N/mm² aufweist, gemäß den ”Stahlgruppennummern für Stahl und Stahlguss” DIN EN 1002-2 können diesen Werkstoffen die Stahlgruppennummern 1.49XX(XX) zugewiesen sein, wobei die Platzhalter XX dabei für Zählnummern der Legierungen stehen.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Legierung nach DIN 17007 Teil 4 den Nichteisen-Schwermetallen, hier den Sortennummern 2.4000 bis 2.4999 mit Nickel oder Cobalt als Nichteisen-Grundmetall zuzuordnen ist, und/oder dass die Zeitstandfestigkeit der Legierung mit Nickel oder Cobalt als Grundmetall bei 600°C und 1000 Stunden einen Wert von mehr als 100 N/mm² aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptbestandteil der verwendeten Legierung Titan ist.
Brennkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile zusätzlich eine katalytisch wirkende Schicht aufweisen.
Brennkraftmaschine nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile zusätzlich mit einer strahlungsemissionsmindernden Schicht ausgestattet sind und dass der Emissionsgrad ε kleiner 0,10 ist.