DE102014200656A1

DE102014200656A1 - Innenmotorische Antiverkokungsschicht für Brennraumwände eines Brennraumes

Info

Publication number: DE102014200656A1
Application number: DE102014200656.2A
Authority: DE
Inventors: Lasse Langner; Herbert Gruhn; Torsten Trossmann; Ulrike Mock
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2015-07-16

Abstract

Es wird eine Innenmotorische Antiverkokungsschicht für Brennraumwände eines Brennraumes umfassend eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung eines Mediums in einen Brennraum vorgeschlagen, wobei die Einspritzvorrichtung einen Injektor mit wenigstens einem Spritzloch umfasst, wobei aus dem Spritzloch das Medium ausgespritzt wird, wobei der Injektor einen inneren Bereich mit einem Grundmaterial und einem Oberflächenbereich aufweist, der direkt mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine in Kontakt steht, wobei wenigstens auf einem Teil der Brennraumwände der Brennkraftmaschine ein Mittel aufgebracht wird, welches die Bildung von kohlenstoffhaltigen Belägen an den Brennraumwänden durch katalytische Modifikation vermindert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer innenmotorischen Antiverkokungsschicht für Brennraumwände eines Brennraumes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Einspritzvorrichtungen zur Einspritzung eines Mediums in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine sind allgemein bekannt. Beispielsweise sind Hochdruckeinspritzventile bekannt, die typischerweise als herkömmliche Magnetschaltventile mit einer Spule und Bauteilen eines Magnetaktors aufgebaut sind.
Im Gegensatz zu Dieselmotoren sind derzeit für die die vorgegebenen EU-Grenzwerte einhaltenden Ottomotoren keine Partikelfilter (Ruß- oder Feinstaubfilter) vorgesehen. Insbesondere bei kalter Brennkraftmaschine und damit kalter Abgasanlage treten aber auch bei Ottomotoren verstärkt Partikelemissionen auf. Die kommende Emissionsgesetzgebung (EU-6) verschärft im besonderen Maße die Anforderungen an die Partikelanzahl für den direkteinspritzenden Ottomotor.
Es besteht somit ein Bedarf an Verfahren zur Verminderung von Ruß- und Rauchpartikel besonders bei Verwendung von Direkteinspritzinjektoren
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine innenmotorische Antiverkokungsschicht und ein Verfahren zur Herstellung einer innenmotorischen Antiverkokungsschicht für Brennraumwände eines Brennraumes vorzuschlagen, bei welcher im Vergleich zum Stand der Technik die Entstehung und Emission von schädlichen Rußpartikeln bei Verwendung von Direkteinspritzinjektoren vermindert wird.
Die erfindungsgemäße innenmotorische Antiverkokungsschicht und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer innenmotorischen Antiverkokungsschicht gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch das wenigstens auf einem Teil der Brennraumwände der Brennkraftmaschine aufgebrachten Mittel, welches die Bildung von kohlenstoffhaltigen Belägen an den Brennraumwänden durch katalytische Modifikation vermindert, keine oder eine im Wesentlichen reduzierte Verkokung der Oberfläche stattfindet und/oder kein oder nur vernachlässigbar geringe Mengen an Kohlenstoff in das Werkstoffgefüge eindringt. Insbesondere wird dies durch eine Wirkpfadunterbrechung des Rußbildungsmechanismus erreicht.
Im Brennraum scheint für die Bildung von Partikel durch kohlenstoffhaltige Beläge an den Brennraumwänden folgender Zusammenhang vorzuliegen:

(i) Bildung einer kohlenstoffhaltigen schwammartigen Belagsschicht durch Verrußung und Verkokung im Motorinnenraum, besonders auf der Ventilspitze des Direkteinspritzinjektors;
(ii) Speicherung von Kraftstoff in den kohlenstoffhaltigen Belägen;
(iii) Abgabe des gespeicherten Kraftstoffes als Diffusionsflamme zu einem ungünstigen Zeitpunkt im Motorprozess führt zur Bildung von Rauch- und Rußpartikeln.

Kohlenstoffhaltige Beläge wie Verkokungs- und Verrußungsbeläge sind als besonders kritisch anzusehen, da bereits sehr kleine Mengen zu hohen Partikelemissionen führen können.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff "Brennraumwände" alle mit Kraftstoff oder Kraftstoffverbrennungsprodukten in Kontakt kommenden Flächen. Der Begriff "Brennraumwände" umfasst somit z.B. auch die im Brennraum exponierten Flächen des Magnetventils, insbesondere die Injektorspitze.
Besonders begünstigt ist die Bildung von kohlenstoffhaltigen Belägen wie Verkokungs- und Verrußungsbelägen bei Temperaturen von 350 °C bis 850 °C unter kohlenstoffübersättigter Atmosphäre bei gleichzeitig geringen Sauerstoffpartialdrücken. So findet insbesondere nach der Verbrennung die Bildung der genannten Beläge statt, da zu diesem Zeitpunkt kaum noch Restsauerstoff vorhanden ist.
Es wurde gefunden, dass zur Bildung der kohlenstoffhaltigen Beläge besonders die Disproportionierungsreaktion von Kohlenstoffmonoxid unter Bildung von Kohlenstoff und Sauerstoff beiträgt. Der so gebildet Kohlenstoff wird dann als Belag auf der Oberfläche abgeschieden. Besonders kritisch in dieser Hinsicht sind Reaktion auf Oberflächen aus Stahl- und Nickelbasis.
Durch die teilweise schwammartige Struktur der kohlenstoffhaltigen Beläge wie Verkokungs- und Verrußungsbeläge findet eine begünstigte Aufnahme und spätere Abgabe von Kraftstoff im Brennraum statt. Insbesondere eine Freisetzung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus den Belägen nach der eigentlichen Verbrennung ist als kritisch anzusehen. So sind nach der Verbrennung die Bildungsbedingungen für Partikel besonders günstig, da kaum noch Restsauerstoff vorhanden ist und Temperaturen vorliegen, die höher sind als 1500 K. Unverbrannte Kohlenwasserstoffe werden unter diesen Bedingungen fast vollständig zu Partikeln konvertiert.
Ferner kann der Kohlenstoff entlang der Korngrenzen unter Carbid Bildung in den Werkstoff eindringen. Im weiteren Verlauf kann es so zum sogenannten "metal dusting" kommen, wobei der eindiffundierende Kohlenstoff das Metall aus dem Werkstoff verdrängt. Folge davon sind Verschlechterungen der Werkstoffqualität besonders durch interkristalline Korrosion.
Erfindungsgemäß ist es durch die Maßnahme der Antiverkokungssschicht an zumindest Teilen der Brennraumwände möglich Belagbildung besonders in der kritischen Phase nach der Verbrennung zu reduzieren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung umfasst der Ausdruck "durch katalytische Modifikation vermindert" die Absenkung der Reaktionsgeschwindigkeit der Belagbildung.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung umfasst der Ausdruck "Bildung von kohlenstoffhaltigen Belägen an den Brennraumwänden durch katalytische Modifikation vermindert" eine entsprechende Verminderung von bevorzugt zumindest 10%, bevorzugter von zumindest 25%, noch bevorzugter von zumindest 50%, noch bevorzugter von zumindest 75% und am bevorzugtesten von zumindest 90%.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass wenigstens auf einem Teil des Oberflächenbereichs des Injektors, welcher direkt mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine in Kontakt steht, ein Mittel aufgebracht wird, welches die Bildung von kohlenstoffhaltigen Belägen an den Brennraumwänden durch katalytische Modifikation verhindert. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Teil des direkt mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine in Kontakt stehenden Oberflächenbereichs die Injektorspitze umfasst.
Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, durch die Wirkpfadunterbrechung des Rußbildungsmechanismus auch bei bereits in dem Brennraum eingebauten Einspritzvorrichtungen die Bildung von Ruß auf der Werkstoffoberfläche zu verhindern.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Mittel, welches die Bildung von kohlenstoffhaltigen Belägen an den Brennraumwänden durch katalytische Modifikation verhindert, die katalytischen Disproportionierung von Kohlenmonoxid an der Oberfläche um zumindest 50% vermindert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Mittel, welches die Bildung von kohlenstoffhaltigen Belägen an den Brennraumwänden durch katalytische Modifikation verhindert, Zinn und/oder Nickel umfasst.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Mittel, welches die Bildung von kohlenstoffhaltigen Belägen an den Brennraumwänden durch katalytische Modifikation verhindert, eine das Grundmaterial bedeckende Schicht in dem wenigstens einen Teil des direkt mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine in Kontakt stehenden Oberflächenbereichs des Injektors bildet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Mittel welches die Bildung von kohlenstoffhaltigen Belägen an den Brennraumwänden durch katalytische Modifikation verhindert unter Verwendung einer Zweischichttechnologie oder einer Mehrschichttechnologie aufgebracht wird.
Es zeigen
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Verbrennungszylinders eines Verbrennungsmotors und
2 eine schematische Schnittdarstellung eines in den Brennraum der Brennkraftmaschine ragenden vorderen Teils einer Einspritzvorrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch nur jeweils einmal benannt bzw. erwähnt.
Der in 1 ausschnittweise im Längsschnitt dargestellte Verbrennungsmotor weist mehrere Verbrennungszylinder 6 auf, die stirnseitig von einem Zylinderkopf 7 abgedeckt sind. In jedem Verbrennungszylinder 6 ist ein Hubkolben (nicht dargestellt) axial verschieblich geführt, der über eine Pleuelstange mit einer Kurbelwelle gelenkig verbunden ist. Jeder Hubkolben begrenzt zusammen mit dem Zylinderkopf 7 einen Brennraum 1. In 1 ist ein Schnitt durch den Zylinderkopf 7 und einen Verbrennungszylinder 6 dargestellt, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors in Zweiventiltechnik für jeden Verbrennungszylinder 6 zwei gesteuerte Ventile (Einlassventil 8 und Auslassventil 9) für den Gaswechsel im Brennraum 1 sowie ein Kraftstoff-Einspritzventil 2 (Injektor 2) zur direkten Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum 1 vorgesehen sind. Bei der heute weit verbreiteten Vierventiltechnik sind pro Verbrennungszylinder zwei Einlassventile und zwei Auslassventile sowie ein Kraftstoff-Einspritzventil bzw. ein Injektor 2 vorhanden. Jedes Einlassventil 8 schließt brennraumseitig einen im Zylinderkopf 7 verlaufenden Einlasskanal 10 und jedes Auslassventil 9 brennraumseitig einen im Zylinderkopf 7 verlaufenden Auslasskanal 11 ab.
Das für jeden Verbrennungszylinder 6 vorhandene Kraftstoff-Einspritzventil 2 bzw. der Injektor 2 zur direkten Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum 1 ist in eine Zylinderkopfbohrung 12 eingesetzt und an eine Kraftstoffzuleitung 13 angeschlossen. Der Einlasskanal 10 ist an seiner vom Einlassventil 8 abgekehrten Eingangsseite an ein Saugrohr angeschlossen, über das dem Einlasskanal 10 Luft zugeführt wird. Bei mehr oder weniger weit geöffnetem Einlassventil 8 strömt dosiert Verbrennungsluft in den Brennraum 1, und in den einströmenden oder bereits eingeströmten Luftstrom wird von dem Kraftstoff-Einspritzventil 2 bzw. dem Injektor 2 Kraftstoff zugespritzt.
Erfindungsgemäß ist, wie aus der 2 hervorgeht, ein vorderer Teil des Injektors 2 in den Brennraum 1 hineinragend vorgesehen, wobei im vorderen Bereich des Injektors 2 dieser einen Oberflächenbereich aufweist, der direkt mit dem Brennraum 1 der Brennkraftmaschine in Kontakt steht. Wenigstens ein Teil dieses direkt mit dem Brennraum 1 der Brennkraftmaschine in Kontakt stehenden Oberflächenbereichs 4 des Injektors 2 weist ein Mittel 5 auf, welches die Bildung von kohlenstoffhaltigen Belägen an den Brennraumwänden durch katalytische Modifikation vermindert. Im Beispiel der 2 ist das Mittel 5 im Oberflächenbereich der Injektorspitze vorgesehen. Bei dem Mittel 5 bzw. dem Material des Oberflächenbereichs handelt es sich bevorzugt um eine Zinn/Nickel Schicht.

Claims

Innenmotorische Antiverkokungsschicht für Brennraumwände eines Brennraumes (1) umfassend eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung eines Mediums in einen Brennraum (1), wobei die Einspritzvorrichtung einen Injektor (2) mit wenigstens einem Spritzloch umfasst, wobei aus dem Spritzloch das Medium ausgespritzt wird, wobei der Injektor (2) einen inneren Bereich mit einem Grundmaterial (3) und einem Oberflächenbereich (4) aufweist, der direkt mit dem Brennraum (1) der Brennkraftmaschine in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens auf einem Teil der Brennraumwände der Brennkraftmaschine ein Mittel (5) aufgebracht wird, welches die Bildung von kohlenstoffhaltigen Belägen an den Brennraumwänden durch katalytische Modifikation vermindert.
Innenmotorische Antiverkokungsschicht dadurch gekennzeichnet dass wenigstens auf einem Teil des Oberflächenbereichs (4) des Injektors (2), welcher direkt mit dem Brennraum (1) der Brennkraftmaschine in Kontakt steht, ein Mittel (5) aufgebracht wird, welches die Bildung von kohlenstoffhaltigen Belägen an den Brennraumwänden durch katalytische Modifikation verhindert.
Innenmotorische Antiverkokungsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des direkt mit dem Brennraum (1) der Brennkraftmaschine in Kontakt stehenden Oberflächenbereichs (4) die Injektorspitze umfasst.
Innenmotorische Antiverkokungsschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (5), welches die Bildung von kohlenstoffhaltigen Belägen an den Brennraumwänden durch katalytische Modifikation verhindert, die katalytischen Disproportionierung von Kohlenmonoxid an der Oberfläche um zumindest 50% vermindert.
Innenmotorische Antiverkokungsschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (5), welches die Bildung von kohlenstoffhaltigen Belägen an den Brennraumwänden durch katalytische Modifikation verhindert, Zinn und/oder Nickel umfasst.
Innenmotorische Antiverkokungsschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (5), welches die Bildung von kohlenstoffhaltigen Belägen an den Brennraumwänden durch katalytische Modifikation verhindert, eine das Grundmaterial (3) bedeckende Schicht in dem wenigstens einen Teil des direkt mit dem Brennraum (1) der Brennkraftmaschine in Kontakt stehenden Oberflächenbereichs (4) des Injektors (2) bildet.
Verfahren zur Herstellung einer innenmotorischen Antiverkokungsschicht für Brennraumwände eines Brennraumes (1) umfassend eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung eines Mediums in einen Brennraum (1), wobei die Einspritzvorrichtung einen Injektor (2) mit wenigstens einem Spritzloch umfasst, wobei aus dem Spritzloch das Medium ausgespritzt wird, wobei der Injektor (2) einen inneren Bereich mit einem Grundmaterial (3) und einem Oberflächenbereich (4) aufweist, der direkt mit dem Brennraum (1) der Brennkraftmaschine in Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens auf einem Teil der Brennraumwände der Brennkraftmaschine ein Mittel (5) aufgebracht wird, welches die Bildung von kohlenstoffhaltigen Belägen an den Brennraumwänden durch katalytische Modifikation verhindert.
Verfahren zur Herstellung einer innenmotorischen Antiverkokungsschicht nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (5), welches die Bildung von kohlenstoffhaltigen Belägen an den Brennraumwänden durch katalytische Modifikation verhindert unter Verwendung einer Zweischichttechnologie oder einer Mehrschichttechnologie aufgebracht wird.