DE102014224830A1

DE102014224830A1 - Brennkraftmaschine und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102014224830A1
Application number: DE102014224830.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Henn
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2034-12-05
Also published as: DE102014224830B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (1) umfassend einen Brennraum (5), wobei mindestens eine mit dem Brennraum in Kontakt stehende Oberfläche eines Substrats (11) eine Temperaturwellen reflektierende Beschichtung (10) aufweist und die Beschichtung (10) ein poröses Material (12) umfasst Es ist vorgesehen, dass das poröse Material Schichtdicken aufweist, die einem x-fachen der spezifischen Eindringtiefe δ für Temperaturwellen des porösen Materials entspricht, wobei x im Bereich von 0,6 bis 1 liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Brennraum, wobei mindestens eine mit dem Brennraum in Kontakt stehende Oberfläche eines Substrats eine Temperaturwellen reflektierende Beschichtung aufweist und die Beschichtung ein poröses Material umfasst.
Die Materialien im Brennraum einer Brennkraftmaschine sind herausfordernden Bedingungen ausgesetzt. So müssen sie beispielsweise stabil gegenüber enormen Temperaturen sein. Im Stand der Technik ist daher die Aufbringung von Beschichtungen verschiedener Bauteile im Brennraum von Brennkraftmaschinen mit einer Vielzahl von Beschichtungsmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften bekannt, um die Materialien vor Korrosion zu schützen.
Während des Arbeitszyklus durchläuft der Brennraum zudem hohe Temperaturschwankungen, die sich auch auf die Materialien übertragen. Diese Temperaturschwankungen beanspruchen nicht nur das Material, sondern verringern zudem den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. So wird ungünstiger Weise während der Verbrennungsphase Wärme an die Umgebung abgeführt und somit die Energie nicht optimal in Arbeit umgewandelt. Zudem wird während der Ansaugphase die Temperatur aufgrund der Wärmekapazität der Materialien nicht schnell genug herabgesetzt und somit unter anderem die Frischluft erwärmt, was zu einer Verschlechterung des Ladungswechsels führt. Eine Verbesserung des Wirkungsgrads von Brennkraftmaschinen kann mithin durch eine weitmöglichste Annäherung an ein adiabatisches System, also einen wärmedichten Brennraum, erzielt werden.
Ausgehend von den thermodynamischen Untersuchungen an Brennkraftmaschinen von Pischinger et al. können bei Optimierungen des Wirkungsgrads auf Basis der angesprochenen Problematik Temperaturschwankungen in der Brennraumwand bei klassischen Materialien wie Aluminium oder Grauguss vernachlässigt werden. Diese Überlegungen führen zu einer idealen Wandtemperatur des Brennraums, welche konstant bei über 1000 K liegt (siehe 4A).
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine zu verbessern und insbesondere eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, die einen herabgesetzten Wandwärmeverlust während der Verbrennungsphase und gleichzeitig eine erniedrigte Oberflächentemperatur der Brennraumwand in der Ansaugphase aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Anspruchs gelöst. Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung eine Brennkraftmaschine umfassend einen Brennraum, wobei mindestens eine mit dem Brennraum in Kontakt stehende Oberfläche eines Substrats eine Temperaturwellen reflektierende Beschichtung aufweist und die Beschichtung ein poröses Material umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das poröse Material eine Schichtdicke aufweist, die einem x-Fachen der spezifischen Eindringtiefe für Temperaturwellen δ des porösen Materials entspricht, wobei x im Bereich von 0,6 bis 1 liegt.
Temperaturwellen werden durch die zyklisch ablaufenden Verbrennung- und Gaswechselvorgänge im Brennraum an den angrenzenden Oberflächen angeregt und breiten sich in den angrenzenden Brennraumwänden, Ventilen und Kolben aus.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich durch eine Effizienzsteigerung aus, welche im Bereich von bis zu 5 % des Wirkungsgrads liegt. Ursächlich dafür ist zum einen, dass die Wärme, welche beim Verbrennungsprozess entsteht, nur bis maximal 40 % in die erfindungsgemäße Beschichtung eindringt und somit zum größten Teil reflektiert wird und dem Arbeitsprozess weiter zur Verfügung steht. Ferner wird durch die erfindungsgemäße Beschichtung verhindert, dass die Wärme des Verbrennungsprozesses nach außen abgeführt wird und somit die Frischluft erwärmt wird. Diese Reduzierung der Frischlufterwärmung führt zu einer deutlichen Verbesserung des Ladungswechsels. Beides kommt der Erhöhung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine zugute. Darüber hinaus zeigt die erfindungsgemäße Beschichtung korrosionsinhibierende Wirkung. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist vorteilhafterweise einen Brennraum auf, dessen thermodynamische Eigenschaften dem eines adiabatischen Systems angenähert sind.
Überraschend wurde erkannt, dass die Temperaturkurve der Brennraumwand eines wärmedichten Brennraumes nicht einer konstanten Kennlinie entspricht, sondern vielmehr dem Verlauf der Brennraumtemperatur nachfährt. Die Brennraumwand einer idealen Brennkraftmaschine zeigt also in der Ansaugphase niedrige Temperaturen, während sie in der Verbrennungsphase hohe Temperaturen aufweist (siehe 4B), welche jeweils annähernd der Brennraumtemperatur entsprechen.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass das Substrat, also der Teil des Brennraumes, auf dem die Beschichtung angeordnet ist, vorzugsweise einen hohen Wärmeleitwert λ aufweist und damit einen hohen Eindringkoeffizienten b für Wärme zeigt, während die Beschichtung einen sehr niedrigen Eindringkoeffizienten b zeigt. Das Substrat umfasst vorzugsweise metallische Materialien wie Aluminium, Grauguss und/oder Stahl. Der Wärmeeindringkoeffizient b setzt sich wie folgt aus dem Wärmeleitwert λ, der Wärmekapazität c und der Dichte ρ des Materials zusammen: b = √cρλ. Die Eindringtiefe δ für Temperaturwellen berechnet sich nach
wobei die Kreisfrequenz der zyklischen Vorgänge im Brennraum ω = 2πiN entspricht (N: Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine, i = 1 für eine Zweitaktmotor, i = 0.5 für eine Viertaktmotor).
Dabei weist die wärmereflektierende Beschichtung eine Schichtdicke d auf, die im Bereich des 0,6- bis 1-Fachen der spezifischen Eindringtiefe δ für Temperaturwellen des Materials der Beschichtung liegt. Dies stellt sicher, dass ein Teil der Wärme reflektiert wird, während ein anderer, deutlich geringerer Teil der Wärme absorbiert und an das Substrat abgegeben wird. Ein besonders bevorzugtes Verhältnis zwischen Reflexion und Absorption ergibt sich, wenn die Schichtdicke d der die Temperaturwellen reflektierenden Beschichtung zwischen dem 0,6- bis 1-Fachen der Eindringtiefe δ, vorzugsweise dem 0,8-Fachen der spezifischen Eindringtiefe δ entspricht. Da die Eindringtiefe δ sich umgekehrt proportional mit der Wurzel der Drehzahl ändert, ist es von Vorteil, für die Auslegung eine mittige Drehzahl aus dem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine heranzuziehen.
Die Eindringtiefe δ des porösen Materials ist zum einen eine stoffspezifische Eigenschaft und wird insbesondere durch die Dichte ρ, also die Porosität des Materials bestimmt. Somit umfasst die Beschichtung Stoffe, die intrinsisch einen sehr niedrigen Wärmeeindringkoeffizienten b aufweisen, wie beispielsweise Keramiken und/oder solche mit intrinsisch höherem b, welche in der Beschichtung mit niedriger Dichte ρ, also hochporös vorliegen.
Die Porosität ist eine dimensionslose Größe und stellt das Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamtvolumen des porösen Materials dar. Die Porosität ist indirekt proportional zum Wärmeleitwert des entsprechenden Materials, sodass hochporöse Materialien eines Stoffs im Vergleich zu niedrigporösem Material des gleichen Stoffs einen deutlich niedrigeren Wärmeleitwert und somit einen niedrigeren Eindringkoeffizienten b für Wärme aufweisen. Daher weist das poröse Material der erfindungsgemäßen Beschichtung vorzugsweise eine Porosität von größer 50 %, bevorzugt größer 75 %, insbesondere größer als 90 %, auf.
Trockene, poröse Stoffe stellen ein Gemenge aus festen Bestandteilen und Luft dar. Der Feststoffanteil hat stets eine höhere Leitfähigkeit als Luft. Dabei unterscheiden sich die Stoffe sowohl hinsichtlich der Mengen beziehungsweise Volumenverhältnisse von Luft und Feststoff, als auch hinsichtlich der Verbindung der gut leitenden Feststoffteilchen in Richtung des Wärmeflusses. Da die Wärmeleitfähigkeit der Feststoffe bis zu einem Faktor 10⁴ größer ist als diejenige der Luft, ist der Bereich, in dem die Wärmeleitfähigkeiten der porösen Stoffe liegen, außerordentlich groß.
In der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist zumindest eine mit dem Brennraum in Kontakt stehende Oberfläche mit der erfindungsgemäßen Beschichtung beschichtet. Bei der Oberfläche handelt es sich beispielsweise um eine den Brennraum begrenzende Wand, eine Oberfläche von Zylinderteilen, wie beispielsweise einem Zylinderkopf oder einem Zylindermantel, um die Oberfläche einer Zündkerze, Oberflächen von Ventilen, Kolben, Einspritzdüsen oder ähnlichen Teilen, welche im weitesten Sinne mit dem Brennraum in Kontakt stehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das poröse Material eine Schichtdicke d von 1000 µm, vorzugsweise 800 µm, bevorzugt 660 µm, insbesondere 250 µm, nicht überschreitet. Besonders bevorzugt ist eine Schichtdicke im Bereich von 100 µm bis 200 µm. Eine möglichst kleine Schichtdicke bietet den Vorteil, dass neben unnötigem Materialverschleiß die duktilen Eigenschaften der Beschichtung erhalten bleiben und somit die Haftung der Beschichtung auf der Oberfläche eines Substrats, wie hier beispielsweise eine Brennraumwand, optimiert sind.
Ferner ist bevorzugt, dass das poröse Material möglichst kleine Poren < 10µm aufweist, besonders bevorzugt mikroporös ausgebildet ist. Mikroporös bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Poren des Materials einen Durchmesser im Mittel von kleiner als 2 µm aufweisen. Mikroporöse Materialien zeigen bei guter Haftung eine sehr geringe volumetrische Wärmekapazität (cρ).
Mit besonderem Vorteil weist das poröse Material Mikrostrukturen auf. Darunter werden sowohl regelmäßige Strukturen, wie beispielsweise Waben (zum Beispiel Honeycomb), Fachwerkstrukturen, Hohlzylinder beziehungsweise Röhrenstrukturen, aber auch unregelmäßige Poren, verstanden, wie sie beispielsweise in Schäumen auftreten. Regelmäßige Strukturen, insbesondere Röhrenstrukturen und Mikro-Honeycomb, sind bevorzugt, da sie zu einer besonders hohen mechanischen Stabilität der Beschichtung beitragen und insbesondere bei starken Temperaturschwankungen ein Abplatzen der Beschichtung verhindern.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das poröse Material ein Metall, eine Metalllegierung, eine intermetallische Verbindung, ein Metalloxid, ein Silikat und/oder eine Kohlenstoffverbindung umfasst. Materialen wie Metalle oder Kohlenstoffverbindungen zeichnen sich durch hohe Duktilität und insbesondere eine gute Haftung bei sehr guter Verarbeitbarkeit aus. Insbesondere Metalle, Metalllegierungen, intermetallische Verbindungen und Metalloxide zeigen auf wärmeleitfähigen Substraten, wie beispielsweise Aluminium oder Grauguss eine besonders gute Haftung, da sie bei hohen Temperaturschwankungen ähnliche Ausdehnungskoeffizienten ausweisen. Ferner eignen sich die genannten Materialien gut zur Ausbildung von Mikrostrukturen.
Ferner ist bevorzugt, dass das poröse Material einen Metallschaum, einen Metallfilter, ein Metallpapier, eine poröse Metallmembran und/oder ein Aerogel umfasst. In dieser Ausgestaltung ist die Anordnung der Beschichtung auf der mit dem Brennraum in Kontakt stehenden Oberfläche besonders leicht anzuordnen. Beispielsweise kann die Beschichtung als Folie beziehungsweise Papier vorgefertigt werden und anschließend auf die Oberfläche aufgebracht oder angegossen werden. Die in Metallpapieren und Aerogelen enthaltenen dünnen Fremdfasern dienen hierbei als Armierung und erhöhen somit die Stabilität, insbesondere die Bruchstabilität der Beschichtung.
Unter Aerogelen werden insbesondere Metallaerogel-Verbundwerkstoffe verstanden, welche eine Metallmatrix umfassen, in die nanostrukturierte Materialien eingebettet sind. Die eingebetteten nanostrukturierten Materialien erhöhen zum einen die Stabilität, zum anderen aber können sie die Wärmekapazität des Materials herabsetzen, insbesondere dann, wenn es sich bei den eingebetteten Materialien um schlechte Wärmeleiter handelt. Somit kann eine Kombination der Eigenschaften von Metallen mit denen von schlechten Wärmeleitern kombiniert werden.
Die aus Superlegierungen hergestellten nanoporösen Membranen sind offenporige Strukturen, die den herkömmlichen Einsatzbereich der Superlegierung als Hochtemperaturkonstruktionswerkstoff auf funktionale Anwendungen erweitern.
Die Metallpapiere, also die metallisch gefüllten Spezialpapiere, können bahnförmig hergestellt und papiertypisch geformt werden. So sind zum Beispiel verschiedene Wellengeometrien und Wellenpappenstrukturen realisierbar und ermöglichen so Leichtbaustrukturen. Darüber hinaus werden durch die wellengeometrische Anordnung zusätzlich Hohlräume geschaffen, welche den Wärmeeindringkoeffizienten b erniedrigen.
Als Metallschaum wird ein poröser Schaum aus metallischen Werkstoffen bezeichnet. Metallschäume besitzen eine durch Poren und Hohlräume bedingte geringe Dichte, weisen aber eine hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit auf. Meist werden Aluminium, Aluminiumlegierungen, aber auch Nickel-Basis-Legierungen geschäumt. Unter Verwendung geeigneter Treibmittel ist es ebenfalls möglich, Schäume aus Kupfer, Zink, Blei oder Eisen herzustellen.
Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, dass das poröse Material Nickel, Titan, Aluminium und/oder Ruß umfasst. Insbesondere Nickellegierungen, Chrom-Nickel-Stahl, Titanlegierungen, Inconel^® (beispielsweise als Inconelschaum oder Nimonic^® der Firma Special Metals Corporation in Huntington, West Virginia, USA) aber auch Kohlenstoffpartikel in Form von Ruß oder Graphit erhöhen als Beschichtung auf der mit dem Brennraum in Kontakt stehenden Oberfläche deren Temperaturreflektivität, verbessern damit die adiabatischen Eigenschaften und erhöhen den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Darüber hinaus lassen sich die genannten Materialien besonders dünn, also in Schichtdicken von höchstens dem Einfachen der jeweils spezifischen Eindringtiefe δ auf das Substrat aufbringen und zeigen bei starken Temperaturschwankungen besonders gute Haftung und Stabilität der Schicht.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtung auf ihrer dem Substrat abgewandten Oberfläche poliert ist. Die Polierung auf der dem Brennraum zugewandten Oberfläche der Beschichtung reduziert die Rauigkeit der Oberfläche und erniedrigt den Wärmeübergang vom heißen Brennraum zu der Bewandung.
Ferner ist bevorzugt, dass die Beschichtung weiterhin eine Deckschicht aufweist. Diese Deckschicht ist bevorzugt auf der dem Brennraum zugewandten Oberfläche des porösen Materials angeordnet. Dabei handelt es sich vorzugsweise um ein geschlossen porig ausgestaltetes Material, welches verhindert, dass Fremdgaseinlagerungen, insbesondere Wassereinlagerungen, in die Beschichtung gelangen und somit deren Wärmeleitwert erhöhen würden.
Die erfindungsgemäße Beschichtung wird vorzugsweise mittels eines fotolithografischen Prozesses, Druckvorgangs, Sinterverfahrens, Aufbringen von Folien beziehungsweise Papieren oder ähnlichem auf dem Substrat angeordnet.
Bei der dreidimensionalen Laserlithografie beispielsweise wird zunächst eine Mikrostruktur in Form eines Fotolacks auf das Substrat aufgebracht, welches anschließend mit Laserstrahlung ausgehärtet wird. Das ausgehärtete Material wird anschließend über beispielsweise Gasabscheideprozesse mit einer Metall-Metall-Legierung beschichtet. Bei der Metalllegierung handelt es sich bevorzugt um eine Nickel-Basis-Legierung, wie Inconel^® oder Nimonic^®. Alternativ ist bevorzugt, dass der Metallfilter oder das Metallpapier aus einer gesinterten Metall-Basis-Legierung, bevorzugt Nickel, insbesondere Inconel^® oder Nimonic^®, mit einer Porosität von vorzugsweise über 70 % auf dem Substrat angeordnet wird. Dabei wird ein Sinterverfahren verwendet, wie beispielsweise das Metallpulver-Platzhalter-Verfahren, welches sicherstellt, dass poröse Materialien erzeugt werden. Bei dem Metallpulver-Platzhalter-Verfahren werden Metallpulver mit einem Platzhalter, zum Beispiel Carpamid oder Ammoniumhydrogencarbonat, gemischt. Die Porosität wird dann durch geeignete Basisplatzhalteranteils, beispielsweise zwischen 40 und 80 %, eingestellt, wobei die Platzhalterpartikelgröße üblicherweise 0,1 bis mm beträgt. Die Mischung wird anschließend uniaxial oder kaltisostatisch mit Pressdrucken zwischen 300 und 500 MPa verdichtet.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, welches eine erfindungsgemäße Brennstoffkraftmaschine umfasst.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
2 eine schematische Darstellung einer Schnittansicht einer Beschichtung in einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
3 eine skizzierte Ausgestaltung eines in der Beschichtung angeordneten porösen Materials der Beschichtung in drei bevorzugten Ausführungsformen,
4 ein Temperatur-Zeit-Diagramm einer Brennkraftmaschine nach einem herkömmlichen Modell (A) und nach einem der Erfindung zugrunde liegenden Modell (B), und
5 ein Temperatur-Zeit-Diagramm eines sich im Brennraum einer Brennkraftmaschine befindlichen Gases, sowie der Brennraumwand in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und nach dem Stand der Technik.
In 1 ist schematisch eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 dargestellt. Insbesondere ist ein Zylinder 9 dargestellt, der einen Brennraum 5 aufweist, der von einem Kolben 2 mit Kolbenringen 3, einer umlaufenden Zylinderwand 4, je nach Motorart gegebenenfalls Zündkerzen 6, sowie in Ventilsitzen 8 angeordneten Ventilen 7 begrenzt wird.
In dargestellter Ausführung weist der Brennraum 5 in verschiedenen Bereichen eine Temperaturwellen reflektierende Beschichtung 10 auf. So weisen Abschnitte an der Zylinderwand 4 im Bereich einer Kompressionszone, Abschnitte der Ventile 7, Abschnitte eines Kolbenbodens des Kolbens 2 sowie der Ventilsitze 8 die Beschichtung 10 auf. Die Beschichtung 10 ist dabei jeweils in einem Bereich einer dem Brennraum 5 zugewandten Oberfläche angeordnet. Die Beschichtung 10 kann über die gezeigte Ausführung hinaus unabhängig voneinander in jedem Bereich der dem Brennraum 5 zugewandten, im oder an den Brennraum 5 angrenzenden, Oberflächen angeordnet sein.
Die Beschichtung 10 ist in 2 detailliert dargestellt. Gezeigt ist eine bevorzugte Ausführung der Beschichtung 10, auf einem Substrat 11, das durch das entsprechende Brennraum begrenzende Bauteil gebildet wird. Die Beschichtung 10 umfasst ein poröses Material 12, das auf dem Substrat 11 angeordnet ist. Auf der dem Substrat 11 abgewandten Seite grenzt an das poröse Material 12, dem Basismaterial der Beschichtung 10, in gezeigter Ausführungsform eine optionale Deckschicht 13 an.
Das Substrat 11 entspricht der Oberfläche, auf der die Beschichtung 10 angeordnet ist. Bei dem Substrat 11 handelt es sich um ein gut wärmeleitendes Material, wie beispielsweise Aluminium, Aluminiumverbindungen, Grauguss oder Stahl. Die Wärmeleitfähigkeit des Substrats 11 ist somit größer als 100 W/mK (Wärmeleitfähigkeit für Aluminium).
Das poröse Material 12 hingegen weist eine eher niedrige Wärmeleitfähigkeit λ, also deutlich kleiner 100 W/mK auf. Darüber hinaus ist die Eindringtiefe δ für Temperaturwellen kleiner als 800 µm, vorzugsweise kleiner als 660 µm, besonders bevorzugt kleiner als 250 µm. Geeignete Materialien sind zum einen Silikate. Russ und Calciumverbindungen, die per se bereits über einen sehr geringen Eindringkoeffizienten δ verfügen. Daneben sind jedoch auch Metalle geeignet, die einen intrinsischen Eindringkoeffizienten b für Wärme im Bereich von 10–660 µm aufweisen. Diese werden dann hoch porös, also mit einer Porosität von > 50%, insbesondere > 75%, eingesetzt.
Die Poren des porösen Materials 12 sind vorzugsweise Mikroporen mit einem Durchmesser von < 2 µm und können geschlossen oder offen ausgebildet sein, wobei im Inneren der Schicht offene Poren bevorzugt sind. Bei den Poren kann es sich entweder um unregelmäßige Poren handeln, wie sie beispielsweise in Schäumen vorkommen, oder aber um Hohlräume, die sich in regelmäßige Strukturen ausbilden.
Beispiele für derartige regelmäßige Strukturen sind in 3 gezeigt. So zeigt Teildarstellung 3A eine Struktur aus regelmäßigen wabenförmigen Sechsecken, die als Honeycomb bezeichnet wird. Bevorzugt weisen die Waben einen Durchmesser von < 2 µm auf, wobei die Struktur dann als Micro-Honeycomb bezeichnet wird. In Teildarstellung 3B ist eine sogenannte Fachwerkstruktur gezeigt. Diese bildet sich aus in definierter Weise angeordneten Fasern oder alternativ aus mittels eines Druckverfahrens in mehreren Stufen aufgebrachten Schichten. Ein weiteres Beispiel für regelmäßige Strukturen stellt die aus mehreren Röhren beziehungsweise Hohlzylindern ausgebildete Struktur (3C) dar. Hierbei sind Röhren gleichen oder variierenden Durchmessers nebeneinander angeordnet, sodass die Röhren an ihren umlaufenden Seitenwänden miteinander in Kontakt stehen. Die in den Teildarstellungen 3A bis C gezeigten regelmäßigen Strukturen zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei Verwendung als poröses Material 12 der Beschichtung eine sehr hohe Stabilität, insbesondere Bruchstabilität und damit Haftfestigkeit verleihen.
Die Schichtdicke d des porösen Materials 12, wird so dünn wie möglich und so dick wie nötig ausgeführt. Das bedeutet erfindungsgemäß, die Schichtdicke entspricht einem 0,6- bis 1-Fachen der Eindringtiefe δ des porösen Materials 12. Dabei wird nicht auf die intrinsische Eindringtiefe δ_i bei Standarddichte ρ des Basismaterials abgestellt, sondern auf die materialspezifische Eindringtiefe δ des bereits porösen Materials 12. Das heißt, die Eindringtiefe δ wird sowohl durch die Eigenschaften des Basismaterials als auch durch die Dichte ρ und damit die Porosität definiert.

Somit können sich Schichtdicken d im Bereich von 80 bis 660 µm ergeben, je nach Material und Porosität, wobei optimale Ergebnisse der gezeigten Materialien in Schichtdicken im Bereich von 100–200 µm erzielt wurden. Tabelle 1 zeigt hierzu einige Beispiele von bevorzugten Beschichtungen auf Basis von Metallen und Metalllegierungen sowie deren Eigenschaften. Tabelle 1

Material	Porosität [%]	Eindringkoeffizient b [Ws^1/2K^–1m^–2]	Wärmeleitfähigkeit λ [Wm^–1K^–1]	Eindringtiefe δ [µm]	Schichtdicke d [µm] min-bevorzugt-max
Nickel	0	19000	91	660	350–500–660
	80	3000	12	550	330–450–550
	97,5	270	0,8	410	240–330–410
Ni-Cr-Legierung	0	6000–6700	11	250	140–200–250
	80	800–1100	0,8–1,5	200–225	125–180–225
	90	350–500	0,35–0,65	140–200	85–110–200
Titan	0	7200	22	420	250–350–420
Titan	80	950–1200	0.4–0,75	335–380
Ti-6Al-4V	0	4150	6,9	230	130–180–230
Ti-6Al-4V	80	550–700	0,5–1	150–190	80–120–190
CrNi-Stahl	0	7650	15	270	160–220–270
CrNi-Stahl	80	1000–1300	1,1–2,2	180–225	100–160–225

Das poröse Material 12 kann neben dem Basismaterial weitere schlecht wärmeleitende Materialien, wie Keramiken, Kunststoffe oder Ruß enthalten. Diese dienen in erster Linie der Strukturierung und Stabilisierung der Schicht.
Das poröse Material 12 kann entweder direkt auf dem Substrat 11 abgeschieden werden, wie bei lithographischen Verfahren, Druckverfahren, Gießverfahren, Sol-Gel-Verfahren, Sintern und galvanischen Prozessen oder aber in einem zwei-Stufen-Prozess beispielsweise als in einer ersten Stufe gefertigtem Papier, Membran oder als Folie und einer zweiten Stufe auf dem Substrat 11 angeordnet werden. Beispielsweise wird die Dispersionsgalvanik mit hochporösen Dispersionspartikeln bei Verwendung von Aerogelen oder hoch porösen Silikaten verwendet, das Sintern von Pulver beziehungsweise Fasern ohne/mit Metallpulver-Platzhalter-Verfahren, Mischformen wie Metallische Sinterpapiere oder aber Sol-Gel-Prozess mit Al₂O₃, welches anschließend mittels PVD oder CVD mit einem Metall oder einer Metalllegierung beschichtet wird.
Der Querschnitt der Metallpapiere ist geprägt durch den metallischen Füllstoff. Der Füllstoffgehalt liegt bei über 85 Gew. %. Die Zellstofffasern dienen in dem Verbund als Faserarmierung und ermöglichen eine papiertechnische Formgebung. Durch die hohe räumliche Nähe der metallischen Partikel ist ein Versintern möglich. Die metallisch gefüllten Spezialpapiere können bahnförmig hergestellt und papiertypisch geformt werden. So sind zum Beispiel verschiedene Wellengeometrien und Wellpappenstrukturen realisierbar und ermöglichen so Leichtbaustrukturen. Die metallischen Sinterpapiere können thermisch über einen Entbinderungsprozess mit anschließender Sinterung in einen metallischen Werkstoff überführt werden. Die papierabgeleiteten Metallstrukturen weisen eine offenporöse Mikrostruktur auf. Porositäten zwischen 20–70 Vol. % können hierbei eingestellt werden.
Die aus Superlegierungen hergestellten nanoporösen Membranen sind offenporige Strukturen, die den herkömmlichen Einsatzbereich der Superlegierung als Hochtemperatur-Konstruktionswerkstoff auf funktionale Anwendungen erweitern. Als Ausgangsmaterial zur Herstellung nanoporöser Strukturen dienen Nickel-Basis-Superlegierungen. Diese können signifikante Volumenanteile der kohärenten V'-Ausscheidungsphase aufweisen. Bei einigen Legierungen erreicht dieser Anteil bis zu 70 Vol.-%, wobei bei hohen v'-Gehalten die Ausscheidungen typischerweise in würfelförmiger Morphologie aus der mischkristallgehärteten Nickelmatrix, die als v-Phase bezeichnet wird, ausgeschieden werden. Die Würfel mit einer Kantenlänge von zirka 300 nm bis 500 nm ordnen sich aus energetischen Gründen äußerst regelmäßig an.
Zu den Druckverdichtungsverfahren gehört auch das Pulverwalzen, welches für Sonderzwecke durchaus Bedeutung hat, wobei mit und ohne Zusätzen gearbeitet wird und kontinuierlich Bänder von 0,1 bis zirka 1 mm Dicke erzeugt werden können. Auch Verbunde von unterschiedlichen Pulvern oder mit Drahtgeflechten sind realisierbar. Je nach Pulverart und Verwendungszweck kann direkt im Anschluss an das Pulverwalzen kontinuierlich im Durchlaufofen oder in vorkonfektionierter Form, beispielsweise als gehaspeltes Band, gesondert gesintert werden. Zur Herstellung komplizierterer Formteile mit bestimmten Porositätsstrukturen und Gradientenverläufen oder eines Mehrschichtverbundes werden Verfahren, bei denen die Pulver mit einem Binder vermischt oder zu einer Paste angeteigt werden, verwendet. Hierzu gehören das Pulverspritzgießen (Metallinjection Molding, MIM), das Pulverstrangpressen (Powder Extrusion), das Zentrifugalformen (Centrifugal Powder Metallurgy, CPM), das Pulver- oder Schlickergießen, mit dem auch Bänder erzeugt werden können, oder der Z/S-Prozess (Zapf-Schelb-Verfahren), der zur Fertigung hochporöser Werkstoffe spezifisch modifiziert wurde. Bei letzterem wird das mit einem Binder (zirka 4 bis 5%) vermischte Pulver vermittels einer Kernschießmaschine, wie sie aus der Gießereitechnik bekannt ist, in die Form eingeschossen. Durch anschließendes Behandeln der Form mit einem gasförmigen Katalysator erfolgt die Aushärtung des Binders, sodass problemlos entformt und das Teil gehandhabt werden kann. Damit lassen sich komplexe Geometrien und durch Fügesintern auch Verbindungen mit vorgefertigten Teilen realisieren. Ein wichtiger Prozessschritt bei allen Verfahren, die mit einem Binderzusatz arbeiten, ist das Austreiben des Binders, wobei der Zusammenhalt des Formkörpers in allen Phasen der thermischen Behandlung gewährleistet und der Sintervorgang möglichst nicht behindert werden soll. Mithilfe neuer Bindersysteme und speziell entwickelter Öfen zur Binderaustreibung werden die damit in Zusammenhang stehenden Probleme im Wesentlichen gelöst. Neben Metallpulvern finden Metallfasern für die Fertigung hochporöser Werkstoffsysteme Anwendung. Sie ermöglichen Porositätsgrade bis maximal 90% und erlauben die Herstellung von Filterelementen höchster Durchlässigkeit bei gleichzeitig hoher Filtrationswirkung. Die hierzu notwendigen Metallfasern von 4 bis 100 IJm Dicke und einer mittleren Länge von 10 bis 25 mm werden noch vorwiegend mittels aufwendiger Umformungs- und Zerspanungsprozesse hergestellt und sind deshalb entsprechend teuer. Besonders trifft dies auf Fasern unter 20 IJm zu, die beispielsweise durch stufenweises Ziehen von in metallische Trägerwerkstoffe eingebetteten Drahtbündeln gewonnen werden. Ist die gewünschte Faserstärke erreicht, wird der Umhüllungswerkstoff mithilfe eines kombinierten thermisch-chemischen Verfahrens abgelöst. Weitere Methoden sind das Abspanen mittels feinzahniger Werkzeuge oder das Schneiden übereinandergelegter Walzfolien. Ein sehr aussichtsreiches, effektives und kostengünstiges Verfahren zur Erzeugung von Metallfasern ist die Schmelzextraktion.
Metallpulver-Platzhalter-Verfahren:
Bei diesem Verfahren werden Metallpulver mit einem Platzhalter (zum Beispiel Carbamid oder Ammoniurrihydrogencarbonat) gemischt. Die Porosität kann durch geeignete Wahl des Platzhalteranteils zwischen 40 bis 80 Vol.-% definiert eingestellt werden, wobei die Platzhalterpartikelgröße üblicherweise 0,1–4 mm beträgt. Die Mischung wird uniaxial oder kaltisostatisch mit Pressdrücken zwischen 300 und 500 Mpa verdichtet. Nach dem Entfernen der Platzhalter bei Glühtemperaturen < 200°C werden die Bauteile je nach Werkstoff im Temperaturbereich zwischen 900–1300°C gesintert. Für eine hohe Grünfestigkeit der Formkörper nach dem Entfernen der Platzhalter sind duktile Metallpulver mit einer spratzigen Teilchenmorphologie von Vorteil. Untersuchungen wurden mit Edelstahl (316L), verschiedenen Superlegierungen (HastelloyX^® der Firma Alloy Wire International Ltd., West Midlands, Grußbritannien, Inconel^® 625) und Titan durchgeführt. Auf diesem Wege hergestellte hochporöse Titanschäume, deren mechanische Eigenschaften denen des natürlichen Knochens entsprechen, sollen als Knochenersatz verwendet werden. Bei einer Dichte von 0,48 g/cm3 zeigt eine Titanschaumstruktur einen E-Modul von 5,13 GPa sowie eine Druckfestigkeit von 208 MPa, was im Eigenschaftsspektrum natürlicher Knochen liegt.
Offenzellige Metallschäume können über spezielle Gießtechniken (Investment-Casting), galvanisches Beschichten von Polyurethanschäumen zum Beispiel mit Nickel oder durch CVD- beziehungsweise PVD-Verfahren hergestellt werden. Verfahrensbedingt bestehen jedoch Einschränkungen in der Werkstoffauswahl wie auch in den darstellbaren Geometrien. Bei der pulvermetallurgischen Herstellung werden Polyurethanschäume mit einer Pulver-Binder-Suspension beschichtet. Nach der Trocknung werden die organischen Bestandteile (Binder, PU-Schaum) im Temperaturbereich von zirka 300–700°C entfernt und der Pulverkörper anschließend gesintert. Je nach Werkstoff liegen die Sintertemperaturen bei 1000 bis 1400°C und als Sinteratmosphären werden Vakuum, H2, oder Ar gewählt. Die herstellbaren Zellgrößen liegen zwischen 200 IJm (100 ppi) und 5 mm (10 ppi), wobei die Porosität bei geeigneter Wahl der PU-Schäume und Beschichtungsparameter bis zu zirka 90% betragen kann. Die beschriebene pulvermetallurgische Verfahrensroute hat den Vorteil der großen Werkstoffvielfalt, wobei jedoch die notwendige Wahl sehr feiner Pulver ein ungünstiger Kostenfaktor ist.
Das Grundprinzip der Technologie von über Siebdruck erzeugten zellularen Strukturen ist ein schichtweiser Aufbau der Struktur durch wiederholtes Drucken einer pastosen Metallpulversuspension. Die Strukturierung selbst wird durch Maskenwahl und -variation vorgenommen.
4 zeigt eine Prinzipienskizze eines Temperatur-Zeit-Diagramms in einer Brennkraftmaschine nach dem herkömmlichen Modell (A) und in einem der Erfindung zugrunde liegenden Modell (B). Die Darstellungen zeigen beide die Gastemperatur 30 im Inneren des Brennraums und demgegenüber den Verlauf der Wandtemperatur 20. In beiden Diagrammen wird dabei von einem idealen also adiabatischem System ausgegangen, wobei der Stand der Technik A davon ausgeht, dass Schwankungen in der Wandtemperatur vernachlässigbar sind und erfindungsgemäß (B) die Schwankungen und Wärmeleitungen in der Wand, also im Substrat, berücksichtigt werden. Im der Erfindung zugrundeliegenden Modell wird der über die Brennraumwand stattfindende Wärmeverlust des Brennraums während der Verbrennungsphase (OT) herabgesetzt. Dies wird durch die erfindungsgemäße Beschichtung erreicht, die einen großen Teil der Temperaturwellen reflektiert, die Temperatur der Oberfläche erhöht und somit die an die Brennraumwand abgegebene Wärme in der Verbrennungsphase verringert. In der zweiten Phase, der Ansaugphase (UT), wird die Oberflächentemperatur der Brennraumwand durch die hohe richtige Phasenlage der reflektierten Temperaturwelle erniedrigt. Dies kann durch das Auswahlkriterium der Schichtdicke erreicht werden, die sicherstellt, dass die reflektierte Temperaturwelle in der richtigen Phasenlage an der Oberfläche ankommt und der Anteil der Wärme, welcher in die Beschichtung eindringt, verringert wird.
In 5 ist die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine an einem Brennraum gezeigt. Dargestellt sind die Temperatur-Zeit-Kurven der Gastemperatur 30 im Brennraum, der zeitliche Verlauf der Wandtemperatur ohne Beschichtung 34, mit einer 60 µm dicken Beschichtung aus Calciumsilikat 31, einer 150 µm dicken Beschichtung aus Incofoam 33 (einem Metallschaum auf Nickelbasis der Firma Novamet Specialty Products Corp., 681 Lawlins Road, Suite 10 Wyckoff, NJ 07481 USA), sowie der zeitliche Verlauf der Wandtemperatur mit einer Beschichtung aus 1000 µm Zinkoxid 32. Die Abbildung zeigt, dass die Brennraumwände, welche eine wärmereflektierende Beschichtung 31, 32, 33 im Sinne der Erfindung aufweisen, einen ähnlichen Verlauf zeigen, wie die Gastemperatur 30. Im Gegensatz dazu zeigt die unbeschichtete Brennraumwand 34 eine nahezu konstante Temperatur. Somit gibt die unbeschichtete Brennraumwand im Gegensatz zur erfindungsgemäß beschichteten Wärme an die Umgebung ab und setzt somit den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine herab, während eine Brennkraftmaschine in erfindungsgemäßer Ausgestaltung einem adiabatischen, also idealen System deutlich näher kommt.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Kolben
3: Kolbenringe
4: Brennraumwand
5: Brennraum
6: Zünd- beziehungsweise Glühkerze
7: Ventil
8: Ventilsitz
9: Zylinder
10: Beschichtung
11: Substrat, mit Brennraum in Kontakt stehende Oberfläche
12: poröses Material
13: Deckschicht
20: Wandtemperatur
30: Gastemperatur
31: CaSi-Beschichtung
32: ZnO-Beschichtung
33: Incofoam Beschichtung
34: ohne Beschichtung

Claims

Brennkraftmaschine (1) umfassend einen Brennraum (5), wobei mindestens eine mit dem Brennraum in Kontakt stehende Oberfläche eines Substrats (11) eine Temperaturwellen reflektierende Beschichtung (10) aufweist und die Beschichtung (10) ein poröses Material (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material (12) eine Schichtdicke d aufweist, die einem x-Fachen der spezifischen Eindringtiefe δ für Temperaturwellen des porösen Materials (12) entspricht, wobei x im Bereich von 0,6 bis 1 liegt.
Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material (12) eine Schichtdicke d von 1000 µm nicht überschreitet.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material (12) mikroporös ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material (12) Mikrostrukturen aufweist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material (12) ein Metall, eine Metalllegierung, eine intermetallische Verbindung, ein Metalloxid, ein Silikat und/oder eine Kohlenstoffverbindung umfasst.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material (12) einen Metallschaum, einen Metallfilter, ein Metallpapier, eine Metallmembran und/oder ein Aerogel umfasst.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material (12) Nickel, Titan, Aluminium und/oder Ruß umfasst.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (10) auf ihrer dem Substrat (11) abgewandten Oberfläche poliert ist.
Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (10) ferner eine Deckschicht (13) aufweist.
Kraftfahrzeug umfassend eine Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.