DE102012113225A1 - Combustion chamber coating for engines - Google Patents

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Abstract

Motor mit reduziertem Emissionsgehalt sowie Verfahren zu dessen Herstellung, wobei wenigsten eine Teiloberfläche der Brennraumoberfläche (1) eine Beschichtung (12) aufweist, welche katalytisch wirkende Partikel (14) enthält.Engine with reduced emissions and a method for its production, with at least one partial surface of the combustion chamber surface (1) having a coating (12) which contains catalytically active particles (14).

Description

Die Erfindung betrifft beschichtete Brennräume und Kolben sowie ein Verfahren zur Beschichtung von Brennräumen und Kolben.The invention relates to coated combustion chambers and pistons and to a method for coating combustion chambers and pistons.

Insbesondere betrifft die Erfindung beschichtete Brennräume, welche für HCCI Verbrennungsverfahren ausgelegt bzw. verwendet werden können. Die Erfindung betrifft gleichermaßen auch ein Verfahren zur Beschichtung von Brennräume und Kolben, sodass diese für HCCI Verbrennungsverfahren geeignet sind.In particular, the invention relates to coated combustion chambers that can be designed for HCCI combustion processes. The invention equally also relates to a method for coating combustion chambers and pistons so that they are suitable for HCCI combustion processes.

Die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Motoren können jedoch auch unter anderen Verbrennungsverfahren vorteilhaft verwendet werden.However, the engines produced by means of the process according to the invention can also be advantageously used under other combustion processes.

Das Wesen der HCCI Motoren ist die Kompressionszündung und rückstandsfreie Verbrennung sowohl für Diesel- als auch für Benzin. Um diesen Zweck zu erfüllen, müssen Brennstoffaufbereitung, Brennverfahren und die Brennraumoberfläche optimal zusammen arbeiten. Unter dem Begriff Brennraumoberfläche werden hier die Zylinderkopffläche, die Ventilfläche, der Feuersteg und die Kolbenfläche verstanden.The essence of HCCI engines is compression ignition and residue-free combustion for both diesel and gasoline. To meet this purpose, fuel conditioning, combustion process and the combustion chamber surface must work together optimally. The term combustion chamber surface is understood here as meaning the cylinder head surface, the valve surface, the land land and the piston surface.

Der Nachteil herkömmlicher HCCI Motoren besteht in dem gegenüber Otto- oder Dieselmotoren höherem Kohlenmonoxid sowie Kohlenwasserstoff Ausstoß.The disadvantage of conventional HCCI engines is in comparison to gasoline or diesel engines higher carbon monoxide and hydrocarbon emissions.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Motor bereitzustellen, welcher einen gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Motoren geringeren Ausstoß von Stickoxiden, Kohlenmonoxid sowie Kohlenwasserstoff besitzt. Zudem besteht die Aufgabe darin, den Wirkungsgrad gegenüber Otto- oder Dieselmotoren gemäß dem Stand der Technik zu steigern. Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, aus dem Stand der Technik bekannte Motoren mit Metallkolben (Aluminiumkolben, Gußkolben, Stahlkolben) durch Oberflächenmodifizierung für das HCCI-Verbrennungsverfahren tauglich zu machen.The object of the invention is to provide an engine which has lower emissions of nitrogen oxides, carbon monoxide and hydrocarbons compared with engines known from the prior art. In addition, the task is to increase the efficiency compared to gasoline or diesel engines according to the prior art. Another aspect of the invention is to make engines known from the prior art with metal pistons (aluminum pistons, cast pistons, steel pistons) suitable for surface modification for the HCCI combustion process.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darüber hinaus darin, Motoren mit Metallkolben (Aluminiumkolben, Gusskolben, Stahlkolben) durch Oberflächenmodifizierung für das HCCI-Verbrennungsverfahren tauglich zu machen. Das hat den Vorteil, dass bestehende Motortypen umgerüstet werden können. Für das erfindungsgemäße Verfahren bestehen deshalb keine technischen Hindernisse zur direkten Umsetzung bei älteren und aktuellen Motorengenerationen, was eine schnelle und unkomplizierte Markteinführung ermöglicht.The object of the invention is moreover to make motors with metal pistons (aluminum pistons, cast pistons, steel pistons) suitable for the HCCI combustion process by surface modification. This has the advantage that existing engine types can be retrofitted. For the method according to the invention, therefore, there are no technical obstacles to direct implementation in older and current engine generations, which allows a quick and easy market introduction.

Motorengehäuse bestehen heutzutage aus Gusseisen oder aus Aluminiumlegierungen. Die Ventile bestehen in der Regel aus Stahl und haben einen beträchtlichen Anteil an der Brennraumoberfläche. Als Kolben werden vor allem Aluminiumkolben, Gusskolben und Stahlkolben verwendet.Motor housings today consist of cast iron or aluminum alloys. The valves are usually made of steel and have a significant share of the combustion chamber surface. The pistons used are primarily aluminum pistons, cast pistons and steel pistons.

Aluminiumkolben erweichen bei Temperaturen von über 450 °C und geben Wärme an den Zylinderkopf ab. Die Brenntemperatur ist daher beschränkt.Aluminum pistons soften at temperatures above 450 ° C and release heat to the cylinder head. The firing temperature is therefore limited.

Guss- oder Stahlkolben erreichen höhere Temperaturen zwischen 550 und 650 °C und können zu Fehlzündungen führen. Sie geben ebenfalls Wärme an die Zylinderwand ab.Cast iron or steel pistons reach higher temperatures between 550 and 650 ° C and can lead to misfires. They also give off heat to the cylinder wall.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Motor gemäß Anspruch 6 gelöst, gemäß dem der gesamte Brennraum des Motors bzw. zumindest ein Teil davon mit wenigstens einer Beschichtung überzogen ist, in welche katalytisch wirksame Partikel mit vorzugsweise einem Anteil von 1 bis 10 Gewichts-Prozent eingebracht sind.The object of the invention is achieved with an engine according to claim 6, according to which the entire combustion chamber of the engine or at least a part thereof is coated with at least one coating, in which catalytically active particles are preferably introduced with a proportion of 1 to 10 percent by weight are.

Die Aufgabe der Erfindung wir auch durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst, nachdem der Brennraum eines Motors wenigstens teilweise beschichtet wird, wobei die Beschichtung katalytisch wirksame Partikel enthält.The object of the invention is also achieved by a method according to claim 1, after the combustion chamber of an engine is at least partially coated, wherein the coating contains catalytically active particles.

Vorzugsweise enthält die Beschichtung unter anderem Zirkonoxid, welches thermisch isolierende Eigenschaften besitzt und gemäß verschiedenen Ausführungsformen Partikel aus Al2O3-TiO2, NiAl, Fe, Fe2O3, MgO, ThO2, Tantaloxid oder Kombinationen hieraus, vorzugsweise mit einem Gewichtsanteil von insgesamt 1 bis 10 Gewichts-Prozent enthält. Prinzipiell sind sämtliche Partikel verwendbar, welche katalysierende Eigenschaften besitzen, vor allem auch solche, welche Aluminium-Oxide, Titan-Oxide, Kohlenstoffe bzw. Carbide enthalten.The coating preferably contains, among other things, zirconium oxide which has thermally insulating properties and, according to various embodiments, particles of Al 2 O 3-TiO 2, NiAl, Fe, Fe 2 O 3, MgO, ThO 2, tantalum oxide or combinations thereof, preferably with a total weight fraction of 1 to 10 percent by weight contains. In principle, all particles can be used which have catalyzing properties, especially those which contain aluminum oxides, titanium oxides, carbons or carbides.

Zirkonoxid ist nicht nur thermisch sehr stabil sondern hat auch eine geringe thermische Leitfähigkeit. Hierdurch können die Motoren bei höheren Brennraum-Temperaturen betrieben werden. Damit ein HCCI Verbrennungsverfahren effizient betrieben werden kann, hat die Beschichtung bevorzugt einen Wärmeleitwiderstand von weniger als 5 W/mK und ist gemäß einer Ausführungsform auf mehr als 50% der Brennraum-Oberfläche aufgebracht. Gemäß einem bevorzugten Verfahrensprozess wird die Beschichtung mit Hilfe von Plasmaspritzen oder mit Hilfe des PLD-Verfahrens vorgenommen. Aber auch andere, aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren sind anwendbar.Zirconia is not only very thermally stable but also has a low thermal conductivity. As a result, the motors can be operated at higher combustion chamber temperatures. For an HCCI combustion process to be efficiently operated, the coating preferably has a thermal resistance of less than 5 W / mK and, in one embodiment, is applied to more than 50% of the combustion chamber surface area. According to a preferred process, the coating is carried out by means of plasma spraying or by means of the PLD process. But other, known from the prior art methods are applicable.

Um eine besonders große Oberfläche und eine möglichst große Porösität zu erreichen, wird die Beschichtung, also z.B. die Zirkonoxidschicht, mit Hilfe eines Lasers strukturiert. In order to achieve a particularly large surface area and as large a porosity as possible, the coating, eg. the zirconium oxide layer, structured with the help of a laser.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante besitzen die Poren der Zirkonoxidschicht Abmessungen zwischen 0,5 und 10 μm und bevorzugt zwischen 1 und 3. μm. Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass in diesen Bereichen eine besonders gute Eindringung der Gasteilchen und Zerlegung mit Hilfe der katalytisch wirkenden Partikel erreicht wird und zudem eine ausreichende Festigkeit der Oberfläche auch für lange Betriebszeiten des Motors gewahrt bleibt.According to a preferred embodiment variant, the pores of the zirconium oxide layer have dimensions between 0.5 and 10 μm and preferably between 1 and 3 μm. Surprisingly, it has been shown that in these areas a particularly good penetration of the gas particles and decomposition is achieved by means of the catalytically active particles and also a sufficient strength of the surface is maintained even for long periods of operation of the engine.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die innere Oxidation bei Legierungen eingesetzt um die Porösität zu beeinflussen. Dabei wird im Herstellungsverfahren eine Temperatur gewählt, die einen Anteil leichter oxidierbarer Metallpartikel oxidieren lässt und einen anderen Anteil von Metallpartikeln nicht oxidieren lässt. Durch eine Säure-Wäsche wird der Beschichtung das nicht-oxidierte Metall entzogen und eine poröse Struktur bleibt zurück. Mit einem solchen Verfahren kann mit Hilfe der Partikelgröße die Porösität optimal auf die Erfordernisse der HCCI Verbrennung eingestellt werden.According to a further embodiment, the internal oxidation is used in alloys in order to influence the porosity. In this case, a temperature is selected in the manufacturing process, which can oxidize a proportion of easily oxidizable metal particles and does not oxidize a different proportion of metal particles. Acid scrubbing removes the unoxidized metal from the coating and leaves a porous structure behind. With such a method, the particle size can be used to optimally adjust the porosity to the requirements of HCCI combustion.

Durch die in die Beschichtung eingebrachten katalytisch wirkenden Partikel werden die auf die Wirkoberfläche auftreffenden Moleküle aufgespalten und sofort verbrannt (umgekehrtes Fischer-Tropsch-, Bergius-Verfahren).As a result of the catalytically active particles introduced into the coating, the molecules impinging on the active surface are split and immediately burnt (reverse Fischer-Tropsch, Bergius process).

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Zeichnungen anhand der Beschreibung hervor.Further details of the invention will become apparent from the drawings with reference to the description.

Dabei sollen die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmalskombinationen nicht limitierend auf die Erfindung wirken, vielmehr sind auch die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungen miteinander kombinierbar. In den Zeichnungen zeigenIn this case, the feature combinations disclosed in the described embodiments should not limit the invention, but also the features of the different embodiments are combined. In the drawings show

1 ist ein Kolben mit modifizierter Brennraumoberfläche, 1 is a piston with modified combustion chamber surface,

2 ist eine schematische Darstellung des Schichtenaufbaus für die Brennraumoberfläche. 2 is a schematic representation of the layer structure for the combustion chamber surface.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Brennraumoberfläche Combustion chamber surface
10 10
Anpassungsschicht mit ZirkonoxidAdaptation layer with zirconium oxide
11 11
Ausgleichsschichtleveling layer
12 12
Poröse OberflächePorous surface
13 13
Porenpore
14 14
Katalytisch wirkende PartikelCatalytically active particles

1 zeigt einen Kolben, dessen Oberfläche 12 Teil der Brennraumoberfläche 1 ist. Der Kolben weist insgesamt 3 Schichten aus Zirkonoxid auf, wobei die Oberflächenschicht 12 mikrostrukturiert ist. An das Material des Kolbens 20 angrenzend befindet sich eine Anpassungsschicht 10 aus Zirkonoxid, welche so ausgebildet ist, dass sie besonders gut und langlebig an der Oberfläche des Grundmaterials des Kolbens 20 anhaften kann. Zwischen der porösen Oberfläche 12 und der Anpassungsschicht 10 befindet sich noch eine Ausgleichsschicht, welche eine gute Haftung der porösen Oberfläche 12 an den Anpassungsschicht 10 und damit an dem Material des Kolbens 20 bewirkt. 1 shows a piston whose surface 12 Part of the combustion chamber surface 1 is. The flask has a total of 3 layers of zirconia, with the surface layer 12 is microstructured. To the material of the piston 20 Adjacent there is an adaptation layer 10 zirconia, which is designed to be particularly good and durable on the surface of the base material of the piston 20 can adhere. Between the porous surface 12 and the adjustment layer 10 there is still a leveling layer, which good adhesion of the porous surface 12 at the adjustment layer 10 and thus on the material of the piston 20 causes.

2 zeigt den schematischen Schichtaufbau der Brennraumoberfläche 1 der erfindungsgemäßen Brennraumbeschichtung. Die Beschichtungen 10, 11, 12 enthalten Zirkonoxid mit einem Wärmeleitwiderstand von etwa 2,5 W/mK. Dabei verfügt die Zirkonoxidschicht durch das Aufbringungsverfahren eine Abmessung der Poren von zwischen 0,5 und 10 μm. In der Zirkonoxidschicht sind katalytisch wirkende Partikel 14 eingebracht, welche für die Brennstoffgase im Anwendungsfall teilweise über die Poren 13 zugänglich sind. Zusätzlich zu den Poren 13 ist die Oberfläche der Zirkonoxidschicht mittels eines Lasers strukturiert ist. 2 shows the schematic layer structure of the combustion chamber surface 1 the combustion chamber coating according to the invention. The coatings 10 . 11 . 12 contain zirconium oxide with a thermal conductivity of about 2.5 W / mK. The zirconium oxide layer has a pore size of between 0.5 and 10 μm by the application method. In the zirconium oxide layer are catalytically active particles 14 introduced, which for the fuel gases in the application, in part, over the pores 13 are accessible. In addition to the pores 13 the surface of the zirconium oxide layer is structured by means of a laser.

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung von Motoren mit reduziertem Emissionsverhalten wobei die Brennraumoberfläche (1) eines Motors wenigstens teilweise beschichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) katalytisch wirksame Partikel (14) enthält.Method for producing engines with reduced emission behavior, wherein the combustion chamber surface ( 1 ) of an engine is at least partially coated, characterized in that the coating ( 12 ) catalytically active particles ( 14 ) contains. Verfahren zur Herstellung von Motoren mit reduziertem Emissionsverhalten, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) Poren (13) mit gegenüber herkömmlichen metallischen Brennraumoberflächen vergrößerten Abmessungen aufweist.Process for the production of engines with reduced emission behavior, according to claim 1, characterized in that the coating ( 12 ) Pores ( 13 ) with increased compared to conventional metallic combustion chamber surfaces dimensions. Verfahren zur Herstellung von Motoren mit reduziertem Emissionsverhalten nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) einen Wärmeleitwiderstand von weniger als 5 W/mK hat.A process for the production of engines with reduced emission behavior according to one of claims 1 or 2, characterized in that the coating ( 12 ) has a thermal resistance of less than 5 W / mK. Verfahren zur Herstellung von Motoren mit reduziertem Emissionsverhalten nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) mittels Plasmaspritzen oder PLD Puls-Laser Deposition Verfahren aufgebracht ist.Process for the production of engines with reduced emission behavior according to one of preceding claims, characterized in that the coating ( 12 ) is applied by plasma spraying or PLD pulse laser deposition method. Verfahren zur Herstellung von Motoren mit reduziertem Emissionsverhalten nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) durch die Verwendung eines Lasers Strukturiert bzw. oberflächenmodifiziert ist.Process for the production of engines with reduced emission behavior according to one of the preceding claims, characterized in that the coating ( 12 ) is patterned or surface modified by the use of a laser. Motor mit reduziertem Emissionsverhalten, welcher zumindest in einem Teilbereich der Brennraumoberfläche (1) mit einer Beschichtung (12) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) katalytisch wirkende Partikel (14) enthält.Engine with reduced emission behavior, which at least in a partial region of the combustion chamber surface ( 1 ) with a coating ( 12 ), characterized in that the coating ( 12 ) catalytically active particles ( 14 ) contains. Motor mit reduziertem Emissionsverhalten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) eine gegenüber herkömmlichen metallischen Brennraumoberflächen (1) vergrößerte Abmessung der Poren (13) aufweist.Reduced emission engine according to claim 6, characterized in that the coating ( 12 ) one over conventional metallic combustion chamber surfaces ( 1 ) enlarged dimension of the pores ( 13 ) having. Motor mit reduziertem Emissionsverhalten nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) einen Wärmeleitwiderstand von weniger als 5 W/mK aufweist.Engine with reduced emission behavior according to one of claims 7 or 8, characterized in that the coating ( 12 ) has a thermal resistance of less than 5 W / mK. Motor mit reduziertem Emissionsverhalten nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Beschichtung (12) laserstrukturiert ist.Engine with reduced emission behavior according to one or more of claims 6 to 8, characterized in that the surface of the coating ( 12 ) is laser structured. Kolben für einen Motor nach Anspruch 6, wobei der Kolben zumindest auf einem Teilbereich eine Beschichtung (12) aufweist, in welche katalytisch wirkende Partikel (14) eingebracht sind.Piston for an engine according to claim 6, wherein the piston at least on a portion of a coating ( 12 ) into which catalytically active particles ( 14 ) are introduced.
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