DE102015115320A1 - Adhesive layer for a combustion chamber with a pollutant-reducing active layer - Google Patents
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Abstract
Motor sowie Verfahren zu dessen Herstellung, wobei wenigstens eine Teiloberfläche der Brennraumoberfläche (1) wenigstens eine Wirkschicht (11, 12) aufweist, die auf einer Haftschicht (10) aufgebracht ist, die Aluminiumoxid und Nickel umfasst, wobei der Anteil an Aluminiumoxid zwischen 2% und 8% liegt.An engine and method for the production thereof, wherein at least a partial surface of the combustion chamber surface (1) has at least one active layer (11, 12) applied to an adhesive layer (10) comprising aluminum oxide and nickel, the proportion of aluminum oxide being between 2% and 8% lies.
Description
Die Erfindung betrifft beschichtete Brennräume sowie ein Verfahren zur Beschichtung von Brennräumen. The invention relates to coated combustion chambers and a method for coating combustion chambers.
Der Verbrauch von Diesel- und Benzinmotoren wurde in den letzten Jahren um 20 bis 30% gesenkt. Dieser Effekt wurde wesentlich durch Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum bzw. in die Kolbenmulde erzielt. The consumption of diesel and gasoline engines has been reduced by 20 to 30% in recent years. This effect was achieved substantially by direct injection of the fuel into the combustion chamber or into the piston recess.
Alle Motoren emittieren auch unverbrannte Teilchen, z. B. Brennstofftröpfchen, Rußteilchen, unverbrannte Schmierölteilchen. All engines also emit unburned particles, e.g. As fuel droplets, soot particles, unburned lubricating oil particles.
Aus dem Stand der Technik sind Motoren bekannt, welche Feinstaub mit Teilchengrößen von 10 bis 20 Mikrometern erzeugen. Engines are known from the prior art, which produce particulate matter with particle sizes of 10 to 20 micrometers.
Dieser Feinstaub wird insbesondere auch in der Nase und in den Bronchien von Menschen und Tieren absorbiert und wird mit Hilfe der Flimmerhärchen wieder entfernt. This fine dust is absorbed in particular in the nose and in the bronchi of humans and animals and is removed with the help of cilia.
Moderne Benzinmotoren arbeiten mit Einspritzdrücken von 100 bis 200 bar. Moderne Dieselmotoren arbeiten mit Einspritzdrücken von 1000 bis 2000 Bar. Dabei werden Brennstoffteilchen vom Nanometerbereich bis in den 1 Mikrometer-Bereich erzeugt. Modern gasoline engines operate with injection pressures of 100 to 200 bar. Modern diesel engines operate with injection pressures of 1000 to 2000 bar. Fuel particles are generated from the nanometer range to the 1 micron range.
Nicht alle Brennstoffteilchen verbrennen. Einige der Teilchen erzeugen Feinstruß, welcher bis in die kleinsten Lungenbläschen vordringen kann. Je höher die Einspritzdrücke eingestellt sind, umso höher ist der Anteil des Feinststaubes. Not all fuel particles burn. Some of the particles produce fine matter, which can penetrate into the smallest alveoli. The higher the injection pressures are set, the higher the proportion of fine dust.
Um diesem Missstand abzuhelfen, werden für Benzin- und Dieselmotoren jeweils spezielle Filter sowie Abgaskatalysatoren eingesetzt. Dennoch werden erhebliche Mengen an Feinstaub freigesetzt und entsprechend der Entwicklung neue Abgasgrenzwerte festgesetzt. To remedy this situation, special filters and catalytic converters are used for gasoline and diesel engines. Nevertheless, significant amounts of fine dust are released and set according to the development of new emission limits.
Derzeit übertrifft die Feinstrußfreisetzung von modernen Benzinmotoren die Feinstrußfreisetzung von modernen Dieselmotoren. Currently, the fine pulp release of modern gasoline engines exceeds the fine pulp release of modern diesel engines.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Motor bereitzustellen, welcher einen gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Motoren geringeren Ausstoß von Feinstpartikeln besitzt und/oder ohne aufwendige Filter und Katalysatoren auskommt. The object of the invention is to provide a motor which has a comparison with the prior art engines lower emissions of fines and / or requires no expensive filters and catalysts.
Die Aufgabe der Erfindung besteht auch darin, ein Verfahren bereit zu stellen, um derartige Motoren herzustellen. The object of the invention is also to provide a method for producing such motors.
Um diese Aufgabe zu lösen, wird ein Verfahren zur Herstellung von Motoren vorgeschlagen, bei dem zumindest die Zylinderkopfoberfläche und die gesamte entsprechende Ventiloberfläche mit einer speziellen den Verbrennungsprozess beeinflussenden Beschichtung – im Folgenden Wirkschicht – versehen wird. In order to achieve this object, a method for the production of engines is proposed, in which at least the cylinder head surface and the entire corresponding valve surface is provided with a special coating that influences the combustion process - in the following, active layer.
Aus dem Stand der Technik bekannte Motoren besitzen meist Metallkolben (Aluminiumkolben, Gusskolben, Stahlkolben). Engines known from the prior art usually have metal pistons (aluminum pistons, cast pistons, steel pistons).
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können auch bestehende Motortypen umgerüstet werden. Für das erfindungsgemäße Verfahren bestehen deshalb keine technischen Hindernisse zur direkten Umsetzung bei älteren und aktuellen Motorengenerationen, was eine schnelle und unkomplizierte Markteinführung ermöglicht. By the method according to the invention also existing engine types can be converted. 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 gemäß dem Stand der Technik beschränkt. Aluminum pistons soften at temperatures above 450 ° C and release heat to the cylinder head. The firing temperature is therefore limited according to the prior art.
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.
Auch wenn eine große Anzahl von Beschichtungen bzw. Wirkschichten aus dem Stand der Technik bekannt sind, welche einen Einfluss auf den Verbrennungsprozess ausüben, so ist es häufig schwierig diese Wirkschichten auf einer Brennraumoberfläche haltbar aufzubringen. Although a large number of prior art coatings are known to exert an influence on the combustion process, it is often difficult to apply these active layers to a combustion chamber surface in a durable manner.
Um dieses Problem zu lösen, wird eine Haftungsschicht vorgeschlagen, welche sich einerseits in die Brennraumoberfläche „eingräbt“ und andererseits als Haftgrundlage für die Wirkschicht dient. To solve this problem, an adhesion layer is proposed, which on the one hand "buries" in the combustion chamber surface and on the other hand serves as a primer for the active layer.
Erfindungsgemäß wird die Haftschicht durch Flammspritzen einer Nickel/Aluminium-Mischung auf die Brennraumoberfläche hergestellt. According to the invention, the adhesive layer is produced by flame spraying a nickel / aluminum mixture onto the combustion chamber surface.
Vorzugsweise beträgt der Anteil von Aluminium im Gemisch zwischen 2% und 8% und weiter bevorzugt zwischen 3% und 7% und noch weiter bevorzugt etwa 5%. Der Anteil von Nickel beträgt bevorzugt über 90% und noch weiter bevorzugt über 93% insbesondere etwa 95%. Preferably, the proportion of aluminum in the mixture is between 2% and 8% and more preferably between 3% and 7% and even more preferably about 5%. The proportion of nickel is preferably more than 90% and more preferably more than 93%, in particular about 95%.
Bei dem Flammspritzen werden durch die Oxidation des Aluminiums Temperaturen von 3000°C erreicht. Hierdurch „gräbt“ sich die Haftschicht in die Brennraumoberfläche ein. Vorzugsweise weisen die Partikel aus Aluminium und Nickel eine Korngröße von zwischen 15 und 45 Mikrometern auf. Es hat sich gezeigt, dass mit dieser Körnung eine besonders gute punktuelle Anhaftung der Haftschicht an der Brennraumoberfläche ermöglicht wird. Zudem ergibt sich dadurch eine Oberfläche der Haftschicht, die eine Anhaftung einer Wirkschicht an der Haftschicht begünstigt. Weiterhin ist eine Schicht aus derartiger Körnung viel korrosionsärmer als Schichten, welche aus Partikeln mit einem anderen Korndurchmesser gebildet wurden. In the flame spraying, temperatures of 3000 ° C are reached by the oxidation of the aluminum. As a result, the adhesive layer "digs" into the combustion chamber surface. The particles of aluminum and nickel preferably have a particle size of between 15 and 45 micrometers. It has been shown that with this granulation a particularly good punctiform adhesion of the adhesive layer to the combustion chamber surface is made possible. In addition, this results in a surface of the adhesive layer, which promotes adhesion of an active layer to the adhesive layer. Furthermore, a layer of such grain is much less corrosive than layers formed from particles having a different grain diameter.
Weiter bevorzugt wird eine Schichtdicke der Haftschicht von 100 bis 150 Mikrometern aufgetragen. Auf diese Haftschicht werden dann eine oder mehrere Wirkschichten aufgetragen. More preferably, a layer thickness of the adhesive layer of 100 to 150 micrometers is applied. One or more active layers are then applied to this adhesive layer.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist auf die Haftschicht eine thermische Isolierschicht aus Zirkonoxid aufgebracht. Besonders bevorzugt ist auch diese Schicht nicht glatt, sondern weist Poren mit einer Größe von zwischen 0,5 und 10 und weiter bevorzugt zwischen 1 und 3. auf. According to a preferred embodiment, a thermal insulating layer of zirconium oxide is applied to the adhesive layer. Even more preferably, this layer is not smooth, but has pores with a size of between 0.5 and 10 and more preferably between 1 and 3. on.
Es können auch Katalytisch wirkende Partikel in die Zirkonoxidschicht eingebracht sein. It is also possible for catalytic particles to be introduced into the zirconium oxide layer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird direkt auf die Haftschicht oder aber auf die Zirkonoxidschicht eine infrarotstrahlen reflektierende Wirkschicht aufgetragen. According to a further embodiment, an infrared radiation-reflecting active layer is applied directly to the adhesive layer or to the zirconium oxide layer.
Dabei besitzt die Reflexionswirkung der Wirkschicht eine Effizienz von wenigstens 95%, vorzugsweise zwischen 97% und 99% bezogen auf die Rückstrahlung von Infrarot. In this case, the reflection effect of the active layer has an efficiency of at least 95%, preferably between 97% and 99% based on the reflection of infrared.
Hierdurch wird erreicht, dass im Betriebszustand die Brennraum-Temperatur auf 650°C bis 800°C bei der Beschichtung von Motoren aus dem Stand der Technik angehoben wird. This ensures that in the operating state, the combustion chamber temperature is raised to 650 ° C to 800 ° C in the coating of engines of the prior art.
Aus diesem Grund ist auch vorzugsweise die thermische Isolierschicht des gesamten Brennraums vorgesehen, welche die Anhebung der Brennraumtemperatur auf über 650°C gestattet. For this reason, the thermal insulating layer of the entire combustion chamber is preferably provided, which allows the raising of the combustion chamber temperature to over 650 ° C.
Vorzugsweise verfügt die Wirkschicht über Infrarotstrahlen reflektierende metallische Partikel. Preferably, the active layer has infrared rays reflecting metallic particles.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Wirkschicht bzw. bevorzugt alle Wirkschichten eine Porosität mit Porengrößen zwischen 0,5 und 10 und weiter bevorzugt zwischen 1 und 3. auf. According to a further embodiment, the active layer or preferably all the active layers have a porosity with pore sizes between 0.5 and 10 and more preferably between 1 and 3. on.
Durch die hohe Intensität der Infrarotstrahlung, die hohe Temperatur und die angegebene Porosität der Brennraumoberfläche wird eine vollständige Verdampfung und Verbrennung erzielt. Allenfalls entstehende Rußteilchen werden mit verbrannt. Due to the high intensity of the infrared radiation, the high temperature and the specified porosity of the combustion chamber surface, complete evaporation and combustion are achieved. Any resulting soot particles are burned with.
Es hat sich auch herausgestellt, dass die Wirkschichten mit der angegebenen Rauheit und Porosität weniger brüchig sind, als glatte Oberflächen. Aus dem Stand der Technik ist die positive Wirkung in der Porosität im angegebenen Bereich nicht bekannt. Im Stand der Technik wurden meist kleine Korngrößen bevorzugt. Deshalb war der positive Effekt besonders überraschend. It has also been found that the active layers with the specified roughness and porosity are less brittle than smooth surfaces. From the prior art, the positive effect in porosity in the specified range is not known. In the prior art mostly small grain sizes were preferred. Therefore, the positive effect was particularly surprising.
Insbesondere bei der Ausführungsform in der eine Zirkonoxidschicht als Wirkschicht auf die Haftschicht aufgebracht ist, hat sich gezeigt, dass die Unempfindlichkeit eines derartig beschichteten Brennraums bzw. Motors sich besonders gut für die Wassereinspritzung eignet. Insbesondere, wenn die Poren wie weiter oben beschrieben gewählt werden. In particular, in the embodiment in which a zirconium oxide layer is applied as an active layer on the adhesive layer, it has been found that the insensitivity of such a coated combustion chamber or engine is particularly well suited for water injection. In particular, when the pores are selected as described above.
Durch die beschriebene Ausgestaltung des Brennraums mit einer Zirkonoxidschicht als Wirkschicht auf der Haftschicht hat sich ergeben, dass eine Brennstoff- und/oder Wassereinspritzung nach dem Totpunkt des Kolbens erfolgen kann und dennoch mit einer erheblichen Leistungssteigerung einhergeht. Vorzugsweise ist die Motorsteuerung, insbesondere die Kennfeldoptimierung auf die Einsatzbedingungen angepasst. As a result of the described embodiment of the combustion chamber with a zirconium oxide layer as the active layer on the adhesion layer, it has been found that fuel and / or water injection can take place after the dead center of the piston and is nevertheless associated with a considerable increase in performance. Preferably, the engine control, in particular the map optimization is adapted to the conditions of use.
Unter dem Begriff Brennraumoberfläche werden im Sinne der Erfindung die Zylinderkopffläche, die Ventilfläche, der Feuersteg und die Kolbenfläche verstanden. For the purposes of the invention, the term combustion chamber surface is understood to mean the cylinder head surface, the valve surface, the land land and the piston surface.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch mit einem Motor gemäß Anspruch 8 gelöst, bei dem der gesamte Brennraum des Motors bzw. zumindest ein Teil davon mit wenigstens einer Haftschicht überzogen ist, auf der wenigstens eine Wirkschicht angeordnet ist. The object of the invention is also achieved with an engine according to claim 8, wherein the entire combustion chamber of the engine or at least a part thereof is coated with at least one adhesive layer on which at least one active layer is arranged.
Vorzugsweise ist auf der Haftschicht eine Infrarotstrahlung zu wenigsten 95% reflektierende Schicht aufgebracht und/oder eine Zirkonoxidschicht aufgebracht. Preferably, an infrared radiation at least 95% reflective layer is applied to the adhesive layer and / or a zirconium oxide layer is applied.
Ist eine Infrarotstrahlen reflektierende Schicht aufgetragen, so werden vorzugsweise Infrarotstrahlen zu über 97% reflektiert. If an infrared ray reflecting layer is applied, preferably infrared rays are reflected to over 97%.
Vorzugsweise enthält die Infrarot reflektierende Wirkschicht 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. The infrared-reflective active layer preferably contains inter alia 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 wt Percent contains.
Prinzipiell sind sämtliche Partikel verwendbar, welche katalysierende Eigenschaften besitzen, vor allem auch solche, welche Aluminium-Oxide, Titan-Oxide, Kohlenstoffe bzw. Carbide enthalten. 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. Die isolierende Beschichtung hat 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. The insulating 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.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante besitzen die Poren der Wärme Rückstrahlenden Schicht und/oder der Zirkonoxidschicht Abmessungen zwischen 0,5 und 10 und bevorzugt zwischen 1 und 3. According to a preferred embodiment, the pores of the heat-reflecting layer and / or the zirconium oxide layer have dimensions between 0.5 and 10 and preferably between 1 and 3.
In diesen Bereichen bleibt eine ausreichende Festigkeit der Wirkschichten auch für lange Betriebszeiten des Motors gewahrt. In these areas, a sufficient strength of the active layers is maintained even for long periods of operation of the engine.
Wenn Partikel in die Wirkschichten eingebracht sind, existiert zudem eine besonders gute Eindringung der Gasteilchen und Zerlegung mit Hilfe der ggf. in der Wirkschicht vorhandenen katalytisch wirkenden Partikel. In addition, if particles are introduced into the active layers, there is a particularly good penetration of the gas particles and decomposition with the aid of the catalytically active particles which may be present in the active layer.
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 zeigen In 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
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Brennraumoberfläche Combustion chamber surface
- 10 10
- Haftungsvermittelnde und thermisch entkoppelnde SchichtAdhesion-promoting and thermally decoupling layer
- 11 11
- Wirkschicht als Isolationsschicht Active layer as insulation layer
- 12 12
- Wirkschicht mit Infrarot-Reflexion Active layer with infrared reflection
- 13 13
- Poren pore
- 14 14
- Infrarot reflektierende Partikel Infrared reflecting particles
Die Nickel- und Aluminiumpartikel hatten vor dem Flammspritzen eine Korngröße von 140 Mikrometern. Durch die Oxidation des Aluminiums „brennt“ sich das Aluminiumoxid in die Oberfläche des Kolbens ein. The nickel and aluminum particles had a grain size of 140 microns prior to flame spraying. Due to the oxidation of the aluminum, the aluminum oxide "burns" into the surface of the piston.
Zwischen der Infrarotstrahlen reflektierenden Schicht
Die Infrarotstrahlen reflektierende Wirkschicht
Claims (12)
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DE102015115320.3A DE102015115320A1 (en) | 2015-09-10 | 2015-09-10 | Adhesive layer for a combustion chamber with a pollutant-reducing active layer |
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DE102015115320A1 true DE102015115320A1 (en) | 2017-03-16 |
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DE102015115320.3A Withdrawn DE102015115320A1 (en) | 2015-09-10 | 2015-09-10 | Adhesive layer for a combustion chamber with a pollutant-reducing active layer |
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