DE10393661T5

DE10393661T5 - Direkteinspritz-Gasmotor mit Zündhilfe

Info

Publication number: DE10393661T5
Application number: DE10393661T
Authority: DE
Inventors: Robert S. Lincoln Weber; John Paul Arlington Mello; Derek James Seattle Bezaire; Suresh Arlington Sriramulu
Original assignee: Westport Research Inc
Current assignee: Westport Research Inc
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2005-12-15
Also published as: WO2004046520A1; AU2003281882A1; CA2412571A1; CN100507229C; CN1711412A; US20060021605A1; US7077115B2

Abstract

Verbrennungsmotor mit einer durch einen Zylinder definierten Brennkammer, einem ein Ende des Zylinders bedeckenden Zylinderkopf und einem im Zylinder hin und her bewegbaren Kolben, der einen zum Zylinderkopf weisenden Kolbenkopf aufweist; wobei der Motor folgendes aufweist:
(a) eine Einlaßöffnung zur Einleitung einer Ladung in die Brennkammer;
(b) eine Auslaßöffnung zum Abführen von Verbrennungsprodukten aus der Brennkammer;
(c) ein im Zylinderkopf angeordnetes Brennstoffeinspritzventil zum direkten Einleiten eines Brennstoffs in die Brennkammer; und
(d) eine in der Brennkammer angeordnete Zündhilfevorrichtung, die einen elektrischen Glühzünder mit einer um den Zünder herum angeordneten Hülse und einer katalytischen Legierung aufweist, wobei die katalytische Legierung ein erstes katalytisches Element mit einer höheren Affinität zu Sauerstoff als die eines zweiten katalytischen Elements aufweist und wobei das zweite katalytische Element eine höhere Affinität zu dem Brennstoff als die des ersten katalytischen Elements besitzt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Direkteinspritz-Gasmotor mit Zündhilfe. Insbesondere umfasst die Zündhilfe einen elektrischen Glühzünder, der mit einer auch als Abschirmung bekannten, um den Zünder herum angeordneten Hülse kombiniert ist, und eine an der Hülse und/oder dem Zünder vorgesehene bevorzugte Katalysatorformulierung.
Hintergrund der Erfindung
Gemeinhin wird bei Verbrennungsmotoren ein elektrischer Glühzünder, wie zum Beispiel eine Glühkerze, zur Unterstützung von Kaltstartdieselmotoren verwendet. Dieselmotoren sind so ausgeführt, daß nach Aufwärmen des Motors die Bedingungen in der Motorbrennkammer zur Selbstzündung des Dieselbrennstoffs geeignet sind und keine Glühkerze mehr zur Unterstützung der Brennstoffzündung erforderlich ist.
Zur Reduzierung von Motoremissionen werden Brennstoffe, die sauberer brennen als Diesel, untersucht. Zum Beispiel können gasförmige Brennstoffe, wie zum Beispiel Methan, Erdgas, Propan und Wasserstoff, alle in einem mit dem Diesel-Kreisprozess betriebenen Verbrennungsmotor verbrannt werden, um im Vergleich zu einem äquivalenten, mit herkömmlichen Dieselbrennstoff betriebenen Motor geringere Emissionen von Stickoxiden (NOx) und partikelförmigen Stoffen (PM) zu erzeugen. Andere Vorteile des direkten Einspritzens solcher gasförmigen Brennstoffe in die Brennkammer eines mit dem Diesel-Kreisprozess betriebenen Motors bestehen darin, daß der Wirkungsgrad und die Leistungskennwerte, der bzw. die mit dem Diesel-Kreisprozess in Verbindung stehen, aufrechterhalten werden.
Solche gasförmigen Brennstoffe sind jedoch nicht so leicht selbstzündend wie Dieselbrennstoff. Folglich ist zur Umrüstung eines herkömmlichen Dieselmotors zum Betrieb mit gasförmigem Brennstoff normalerweise ein Mittel zur Unterstützung der Zündung erforderlich. Eine Strategie zum Zünden solcher gasförmi gen Brennstoffe besteht in dem Einsatz einer Vorrichtung zur Unterstützung der Zündung. Zum Beispiel wird in der US-PS 6 076 493 (das 493-Patent) mit dem Titel "Glow Plug Shield With Thermal Barrier Coating And Ignition Catalyst" eine Vorrichtung zur Verwendung einer Glühkerzen- und Abschirmungsanordnung zur Unterstützung der Zündung eines Brennstoffs mit einer im Vergleich zu Dieselbrennstoff höheren Selbstzündungstemperatur offenbart. Das 493-Patent bezieht sich auf eine Kombination aus einer Glühkerze und einer Abschirmung mit einer Beschichtung aus hitzebeständigem Material. Das 493-Patent offenbart den Wunsch nach der Verwendung eines Katalysators, offenbart aber keinen bestimmten Brennstoff oder irgendeine besondere Katalysatorformulierung, und soweit der Anmelderin bekannt ist, ist die Vermarktung solch einer Zündhilfenstrategie für gasförmige Brennstoffe noch nicht erreicht worden.
Obgleich viele Elemente bekannt sind, die bekanntermaßen als Katalysator wirken, schneiden nicht alle Katalysatoren genauso gut für die Unterstützung der Zündung gasförmiger Brennstoffe ab, und es besteht Bedarf an einer Katalysatorformulierung, die die zur Verwendung in einer Motorbrennkammer erforderliche Langlebigkeit besitzt. Neben reinen Katalysatorformulierungen, die ein katalytisches Element umfassen, können auch katalytische Legierungen verwendet werden, die mehr als ein katalytisches Element oder ein katalytisches Element in Kombination mit einem anderen Material umfassen. Eine Katalysatorformulierung ist möglicherweise für einen Brennstoff effektiver als für einen anderen.
Nichtsdestotrotz bleibt es für eine Zündhilfevorrichtung, die während des Motorbetriebs fortwährend eingesetzt wird, wünschenswert, einen Katalysator zur Unterstützung der Zündung des Brennstoffs bereitzustellen, so daß die Glühkerze mit einer niedrigeren Temperatur betrieben werden kann. Niedrigere Glühkerzenbetriebstemperaturen sind in der Regel mit einer längeren Betriebslebensdauer der Glühkerze verbunden. Des Weiteren kann die Verwendung eines Katalysators ein zusätzliches Element der Kontrolle über den Verbrennungsprozeß bereitstellen. Demgemäß müssen für einen gasförmigen Brennstoff mit einer höheren Selbstzündungstemperatur als Dieselbrennstoff bevorzugte Katalysatorformulierungen zur kommerziellen Verwendung in der Brennkammer eines Verbrennungsmotors gefunden werden.
Des Weiteren kann das Herstellungsmittel, durch das ein Katalysator auf eine Glühkerze oder eine um die Glühkerze herum angeordnete Hülse abgeschieden wird, die Wirksamkeit des Katalysators beeinflussen. Demgemäß besteht auch Bedarf an der Ermittlung eines bevorzugten Mittels zur Abscheidung eines Katalysators auf einer Glühkerzenhülse.
Kurze Darstellung
Es wird ein Verbrennungsmotor mit einer durch einen Zylinder definierten Brennkammer, einem ein Ende des Zylinders bedeckenden Zylinderkopf und einem im Zylinder hin und her bewegbaren Kolben, der einen zum Zylinderkopf weisenden Kolbenkopf aufweist, bereitgestellt. Der Motor umfasst folgendes:
eine Einlaßöffnung zur Einleitung einer Ladung bzw. Luftmenge in die Brennkammer;
eine Auslaßöffnung zum Abführen von Verbrennungsprodukten aus der Brennkammer;
ein im Zylinderkopf angeordnetes Brennstoffeinspritzventil zum direkten Einleiten eines Brennstoffs in die Brennkammer; und
eine in der Brennkammer angeordnete Zündhilfevorrichtung mit einem elektrischen Glühzünder, der eine um den Zünder herum angeordnete Hülse umfasst, und einer katalytischen Legierung, wobei die katalytische Legierung ein erstes katalytisches Element mit einer höheren Affinität zu Sauerstoff als die eines zweiten katalytischen Elements umfasst, und wobei das zweite katalytische Element eine höhere Affinität zu dem Brennstoff als die des ersten katalytischen Elements besitzt.
Es wird angenommen, daß die katalytische Legierung einen bifunktionalen Mechanismus bereitstellt, der Reaktionen fördert, an denen Brennstoff und Sauerstoff beteiligt sind, was gegenüber der Verwendung eines einzigen katalytischen Elements eine Verbesserung darstellt. Eine mit einem einzigen katalytischen Element beschichtete herkömmliche Zündhilfevorrichtung kann für die weniger anspruchsvollen Betriebsbedingungen geeignet sein, die einer Zündhilfevorrichtung, die nur während des Anlassens verwendet wird, oder Brennstoffen, die eine Cetanzahl aufweisen, die eine relativ leichte Zündung gestattet, zugeordnet sind.
Die vorliegende Zündhilfevorrichtung, bei der eine katalytische Beschichtung eingesetzt wird, bietet Vorteile, die bei Verwendung mit Brennstoffen, die schwieriger zu zünden sind, offensichtlicher werden, indem die erforderliche Temperatur zur Unterstützung der Zündung verringert und die Betriebslebensdauer einer Zündhilfevorrichtung verlängert wird. Für solche Brennstoffe kann die Zündhilfevorrichtung während des Betriebs des Motors kontinuierlich verwendet werden, und die Verlängerung der Betriebslebensdauer der Zündhilfevorrichtung ist sehr wichtig, um die für ein Handelsprodukt erforderliche Langlebigkeit zu erreichen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Brennstoff um einen gasförmigen Brennstoff und wird der elektrische Glühzünder kontinuierlich erwärmt, während der Motor in Betrieb ist. Der gasförmige Brennstoff kann Methan umfassen, bei dem es sich um einen Brennstoff handelt, der im Vergleich zu herkömmlichen Flüssigbrennstoffen sauberer brennt. Es ist wohlbekannt, daß Methan die Hauptkomponente von Erdgas ist.
Bei gasförmigen Brennstoffen kann es sich bei dem ersten katalytischen Element um Ruthenium handeln, wenn Ruthenium im Vergleich zu seiner Affinität zu dem gasförmigen Brennstoff eine höheren Affinität zu Sauerstoff besitzt. Zur Bereitstellung eines bifunktionalen Mechanismus kann das zweite katalytische Element aus der Gruppe bestehend aus Palladium und Platin ausgewählt sein, wobei das zweite katalytische Element so ausgewählt ist, daß seine Affinität zu Brennstoff im Vergleich zu seiner Affinität zu Sauerstoff höher ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform stellt das erste katalytische Element einen höheren Gewichtsanteil der katalytischen Legierung dar als das zweite katalytische Element. Zum Beispiel haben Versuchsdaten gezeigt, daß bei einer bevorzugten Legierungszusammensetzung von dem katalytischen Material in der katalytischen Legierung das erste katalytische Element, das eine höhere Affinität zu Sauerstoff als zu dem Brennstoff besitzt, ca. 75 Gew.-% beträgt Die um den Zünder herum angeordnete Hülse umfasst vorzugsweise eine zum Zünder weisende Innenfläche und eine zur Brennkammer weisende Außenfläche, wobei die katalytische Legierung sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenfläche angeordnet ist. Die Hülse kann einen röhrenförmigen Abschnitt, der den Zünder umgibt, und ein offenes Ende aufweisen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Hülse einen den Zünder umgebenden röhrenförmigen Abschnitt, ein geschlossenes Ende und mehrere Löcher zur Einleitung eines den Brennstoff umfassenden brennbaren Gemisches in einen abgeschirmten Raum zwischen der Hülse und dem Zünder und zum Austreiben einer Verbrennungsflamme aus dem Raum in die Brennkammer auf.
Es wird ein Verfahren zur Unterstützung der Zündung eines Brennstoffs in einem in Betrieb stehenden Verbrennungsmotor bereitgestellt. Bei laufendem Motor umfasst das Verfahren in jedem Zyklus folgendes:
Einleiten einer Ladung bzw. Luftmenge durch eine Einlaßöffnung in die Brennkammer;
Einspritzen des Brennstoffs direkt in die Brennkammer;
elektrisches Erwärmen einer Glühkerze zur Unterstützung der Zündung des Brennstoffs;
Abführen von Verbrennungsprodukten durch eine Auslaßöffnung aus der Brennkammer; und
Abschirmen der Glühkerze mit einer im wesentlichen um die Seiten der Glühkerze herum beabstandeten Hülse, auf der eine katalytische Beschichtung abgeschieden ist, welche ein erstes katalytisches Element und ein zweites katalytisches Element umfasst, wobei das erste katalytische Element eine höhere Affinität zu Sauerstoff besitzt als die des zweiten katalytischen Elements und das zweite katalytische Element eine höhere Affinität zu dem Brennstoff besitzt als die des ersten katalytischen Elements.
Bei einem bevorzugten Verfahren handelt es sich bei dem Brennstoff um einen gasförmigen Brennstoff wie zum Beispiel Erdgas. Bei dem ersten katalytischen Element handelt es sich vorzugsweise um Ruthenium und bei dem zweiten katalytischen Element vorzugsweise um Palladium.
Wenn der Motor läuft, kann die Glühkerze durch Anlegen einer Spannung zwischen 10 Volt und 12 Volt kontinuierlich erwärmt werden.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren kann bei laufendem Motor der Zeitpunkt für das Einspritzen des Brennstoffs beginnen, wenn ein sich im Zylinder hin und her bewegender Kolben sich zwischen 40 Grad vor dem oberen Totpunkt und 10 Grad hinter dem oberen Totpunkt befindet. Durch direktes Einspritzen in die Brennkammer und bei dieser Zeiteinstellung kann der Motor mit einer Leistung und einem Wirkungsgrad betrieben werden, der mit der bzw. dem eines Dieselbrennstoff verwendenden Dieselmotors vergleichbar ist.
Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung der Zündhilfevorrichtung wird die Hülse nach der Abscheidung der katalytischen Beschichtung darauf und vor Installation und Verwendung in einem Motor wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung kann Erwärmen der Hülse in der Luft auf eine Temperatur von 500 bis 1000 Grad Celsius für mindestens 10 Minuten (zum Beispiel zwischen 10 Minuten und 8 Stunden) umfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine weggeschnittene Ansicht des oberen Abschnitts einer Brennkammer, die einen Teil des Zylinderkopfs, der einem Brennstoffeinspritzventil zum Einspritzen eines gasförmigen Brennstoffs direkt in die Brennkammer zugeordnet ist, und eine Zündhilfevorrichtung, die eine um eine Glühkerze herum angeordnete röhrenförmige Hülse aufweist, darstellt.
2 zeigt ein vergrößertes Bild der Fläche einer Pd-Beschichtung auf einer Metallhülse.
3, 4 sind vergrößerte Bilder der Fläche einer Pd-Beschichtung auf einer Metallhülse nach verschiedenen Alterungsdauern im Wärmeschrank bei 800 Grad Celsius.
5 ist ein vergrößertes Bild der Fläche einer Pd/Ru-Beschichtung.
6, 7 sind vergrößerte Bilder der Fläche einer Pd/Ru-Beschichtung nach Testen in einem Motor.
8 ist eine graphische Darstellung, in der eine normalisierte Zündverzögerung als Funktion der Glühkerzenspannung für einen mit gasförmigen Brennstoff betriebenen Motor, der Heißflächenzündung einsetzte, aufgetragen ist, wobei aus den Tests unter Verwendung verschiedener Katalysatorformulierungen gesammelte Daten aufgetragen sind.
9a ist eine graphische Darstellung, in der eine normalisierte Zündverzögerung als Funktion der Glühkerzenspannung aufgetragen ist, wobei die aufgetragenen Daten verschiedene Katalysatorformulierungen darstellen, wodurch die Wirkung des Rutheniumgehalts ermittelt wurde.
9b ist eine graphische Darstellung, in der Daten des Änderungskoeffizienten des maximalen Zylinderdrucks, der für die Verbrennungsstabilität repräsentativ ist, für die gleichen Katalysatorformulierungen von 9a aufgetragen sind.
10 ist eine graphische Darstellung, in der eine durch ein mathematisches mikrokinetisches Modell vorhergesagte, normalisierte, berechnete Zündverzögerung als Funktion von experimentell gemessenen Zündverzögerungen aufgetragen ist.
11 ist eine graphische Darstellung, in der eine normalisierte Zündverzögerung als Funktion der Zündkerzenvolumentemperatur aufgetragen ist.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsform(en)
Ein 1,8-Liter-4-Zylinderdieselmotor wurde zum Betrieb mit Erdgas als Brennstoff umgerüstet. Das Erdgas wurde direkt in eine offene Brennkammer eingespritzt, wobei der Brennstoffeinspritzvorgang zwischen 40 Grad vor dem oberen Totpunkt (TDC) und 10 Grad hinter dem TDC beginnt, wobei der TDC definitionsgemäß dann vorliegt, wenn sich der Motorkolben während des Motorzyklus in einer Position befindet, in der sie am nächsten am Zylinderkopf liegt, und "Grad" sind durch die Kurbelwellendrehung gemessene Kurbelwinkelgrad.
1 zeigt einen Teil des Zylinderkopfs 100, der die an der Brennkammer durchgeführten Modifikationen aufweist. Der Rest der Brennkammer blieb so, wie er für den gleichen, mit Dieselbrennstoff betriebenen Motor sein würde. Zum Einspritzen von gasförmigem Brennstoff wurde das Brennstoffeinspritzventil 110 in der gleichen Öffnung installiert, die normalerweise für ein herkömmliches Brennstoffeinspritzventil verwendet wird. Eine bevorzugte Ausführungsform für das Brennstoffeinspritzventil 110 ist ein direkt betätigtes Brennstoffeinspritzventil, das ein magnetostriktives oder piezoelektrisches Stellglied und eine hydraulische Verbindungsanordnung einsetzt, wie zum Beispiel das in der eigenen US-PS 6 298 829 offenbarte Brennstoffeinspritzventil. Die Zündhilfevorrichtung 120 ist in einem solchen Winkel installiert, daß sich das freie Ende der Glühkerze 122 in Richtung des Brennstoffeinspritzventils 110 lehnt. Ein röhrenförmiger Abschnitt der Hülse 124 ist in einem Abstand um die Glühkerze 122 herum angeordnet. Das freie Ende der Glühkerze 122 ist vom offenen Ende der Hülse 124 zurückgesetzt.
Ein Problem bei der Verwendung eines Katalysators in der Brennkammer eines Verbrennungsmotors ist die Langlebigkeit. Zu den rauen Bedingungen in der Brennkammer während des Betriebs gehören die Beaufschlagung durch in die Brennkammer eintretende Einlaßladung bei Temperaturen zwischen ca. –40 Grad Celsius und +60 Grad Celsius und die Beaufschlagung durch heiße Verbrennungsgase, die eine Temperatur zwischen +1200 und +2800 Grad Celsius aufweisen können. Demgemäß ist das Haften des Katalysators an der Fläche, auf der er abgeschieden ist, von Bedeutung.
2 zeigt ein vergrößertes Bild der Fläche einer Metallhülse mit einer Pd-Beschichtung. Der Vergrößerungsgrad in diesem Bild und anderen Bildern, die in den Figuren enthalten sind, wird durch den Maßstabsbalken auf dem Bild dargestellt, der 10 Mikrometer mißt. Die beschichtete Fläche ist durch ein regelmäßiges Rißmuster gekennzeichnet. Die Katalysatoradhäsion kann durch Wärme behandlung der Katalysatorbeschichtung verbessert werden. 3 ist ein vergrößertes Bild der Fläche einer Pd-Beschichtung nach 10 Minuten Altern im Wärmeschrank bei 800 Grad Celsius, was zu einem Tempern des Pd-Katalysators und verbesserter Adhäsion führt. Der Tempervorgang führt zu keiner Änderung der Oberflächenzusammensetzung der Katalysatorbeschichtung. 4 ist ein vergrößertes Bild der Fläche einer Pd-Beschichtung nach 8 Stunden Altern im Wärmeschrank bei 800 Grad Celsius, das im Wesentlichen keinen Verlust der Katalysatorbedeckung zeigt und darlegt, daß durch Tempern einer Pd-Katalysatorbeschichtung Adhäsion verbessert werden kann und daß eine Beschichtung nach einer solchen Behandlung die längere Beaufschlagung mit hohen Temperaturbedingungen in Luft überleben kann. Demgemäß ist es wünschenswert, einen Wärmebehandlungsprozeß im Herstellungsprozeß zu integrieren, um die Katalysatorbeschichtung vor der Installation in einer Brennkammer zu tempern.
5 ist ein vergrößertes Bild der Fläche einer Metallhülse mit einer Pd/Ru-Beschichtung, die durch ein regelmäßiges Rißmuster gekennzeichnet ist, das einer nur mit Pd beschichten Hülsenfläche stark ähnelt. Wie in 5 gezeigt, wird jedoch bei dieser Probe durch eine ungleichmäßige Bedeckung der Beschichtung angezeigt, daß die Adhäsion der Pd/Ru-Beschichtung nicht so gut wie die Beschichtung mit Pd allein zu sein scheint. Schlechtere Adhäsionseigenschaften könnten normalerweise gegen die Verwendung einer Pd/Ru-Katalysatorformulierung sprechen.
6 und 7 sind vergrößerte Bilder einer mit Pd/Ru beschichteten Hülsenfläche nach dem Testen in einem Motor. Diese Pd/Ru-Beschichtungen wurden vor der Installation in einem Motor getempert. 6 zeigt einen Abschnitt der Hülsenfläche, der nach der Installation näher am Zylinderkopf liegt. 7 zeigt einen Abschnitt der Hülsenfläche, der näher an der Spitze oder am offenen Ende liegt. Durch einen Vergleich der 6 und 7 wird aufgezeigt, daß es keinen großen Unterschied bei den Oberflächeneigenschaften über die Länge der Hülse gibt.
Es wurden mehrere verschiedene Katalysatorformulierungen getestet, um die bevorzugte Formulierung zu ermitteln. Bei diesen Tests wurde der gleiche Motor verwendet, wobei der einzige Unterschied in der Formulierung der Katalysatorbeschichtung auf der Glühkerzenhülse lag. 8 ist eine graphische Darstellung, in der einige aus diesen Tests gesammelte Daten aufgetragen sind. In dieser graphischen Darstellung entsprechen die zum Auftragen der Datenpunkte verwendeten Symbole den in Tabelle 1 unten gezeigten Formulierungen:
Tabelle 1, Legende für Fig. 8
Die in 8 aufgetragenen Daten wurden von einem mit Erdgas betriebenen Vierzylinder-1,8-Liter-Dieselmotor, der mit einer Drehzahl von 2000 U/min und mit einer Last von 50 Nm betrieben wurde, gesammelt. Eine normalisierte Zündverzögerung wurde als Funktion der Glühkerzenspannung aufgetragen. Für Spannungen von weniger als 12 Volt lieferte die Pd/Ru-Katalysatorformulierung die kürzesten Zündverzögerungen. Die beobachtete Verringerung der Glühkerzenspannung entspricht einer Verringerung der Glühkerzentemperatur zwischen 50 und 100 Grad Celsius, und es wird erwartet, daß eine solche Temperaturverringerung eine erhebliche Zunahme der Glühkerzenlebensdauer ermöglicht.
9a ist eine graphische Darstellung, in der eine normalisierte Zündverzögerung als Funktion der Glühkerzenspannung aufgetragen ist. Die Datenpunkte in dieser graphischen Darstellung stammen aus Experimenten, die durchgeführt wurden, um zu ermitteln, ob ein höherer Rutheniumgehalt zur Verbesserung der Erdgaszündung wünschenswert ist. Es wurde wieder ein mit direkt eingespritztem Erdgas betriebener 1,8-Liter-Vierzylinderdieselmotor verwendet. Tabelle 2 unten stellt die Legende für die Datenpunkte bereit.
Tabelle 2, Legende für die Fig. 9a und Fig. 9b mit Gewichtsprozenten
Die in 9a aufgetragenen Daten zeigen eine als Funktion der Glühkerzenspannung für einen mit einer Drehzahl von 2000 U/min und einer Last von 200 Nm betriebenen Motor aufgetragene Zündverzögerung. Von den getesteten katalytischen Formulierungen wurde für eine gegebene Spannung die kürzeste Zündverzögerung mit der Formulierung erreicht, die den höchsten Rutheniumgehalt hatte (25 Gew.-% Pd und 75 Gew.-% Ru). Die in 9b aufgetragenen Daten zeigen die Verbrennungsstabilität (wie durch geringere Werte des Änderungskoeffizienten – ÄK – des maximalen Zylinderdrucks angezeigt) als Funktion der Glühkerzenspannung für einen unter den gleichen Bedingungen betriebenen Motor. Die Figur zeigt, daß von den getesteten katalytischen Formulierungen die beste Verbrennungsstabilität mit der Formulierung erzielt wurde, die den höchsten Anteil an Ruthenium hatte (25 Gew.-% Pd und 75 Gew.-% Ru). Es wird angenommen, daß diese Ergebnisse zeigen, daß sich in mit Erdgas betriebenen Motoren mit Katalysatorformulierungen, die mehr Ruthenium als Palladium enthalten, eine verbesserte Verbrennungsstabilität und ein Betrieb bei geringerer Spannung erzielen lassen. Eine mögliche Erklärung dieses Leistungsvorteils besteht darin, daß ein bifunktionaler Mechanismus die Leistung der katalytischen Legierung verbessert, und es können in Abhängigkeit von der Affinität eines der katalytischen Elemente zu Sauerstoff im Vergleich zur Affinität eines anderen der katalytischen Elemente zu Brennstoff verschiedene katalytische Formulierungen für verschiedene Brennstoffe verwendet werden. In den hier beschriebenen Beispielen wird angenommen, daß Methan. CO und CH_x vorzugsweise an Pd adsorbieren, das im Vergleich zur Affinität von Ru eine höhere Affinität zu diesen Molekülen besitzt, und Sauerstoff adsorbiert vorzugsweise an Ru, das im Vergleich zur Affinität von Pd eine höhere Affinität zu Sauerstoff aufweist.
Es wurde auch ein mathematisches mikrokinetisches Modell konstruiert, um die Zündverzögerung für verschiedene Katalysatorformulierungen vorherzusagen. Bei dem mikrokinetischen Modell wurde die Zündverzögerung als die Zeit definiert, die die Anfangstemperatur braucht, um 10 Prozent über den Anfangswert anzusteigen. Die anfänglichen Festkörpertemperaturen und die Einlaßgastemperatur wurden auf 1500 K festgesetzt. In 10 wurden die durch das Modell berechneten Zündverzögerungen als Funktion der in einem einzigen Zylinder eines Motors unter einer Last von 50 Nm und 200 Nm experimentell gemessenen Zündverzögerungen aufgetragen. Die in der graphischen Darstellung gelieferte Legende zeigt die Katalysatorformulierung durch Anzeige der Gewichtsprozentzusammensetzung von Pd, Rest Ru, an. 10 zeigt, daß das mikrokinetische Modell die Reduzierung der Zündverzögerung mit zunehmendem Lambda für jede Hülsenbeschichtung und kürzere Zündverzögerungen für die katalytischen Formulierungen mit 25% Pd und 75% Ru korrekt vorhersagt.
Es wird angenommen, daß durch Bereitstellung einer katalytischen Beschichtung an der Innen- und Außenfläche der Hülse die Zündung durch eine vergrößerte Katalysatoroberfläche, die zur einer verstärkten Beaufschlagung des Katalysators mit brennbaren Luft/Kraftstoff-Gemischen führt, verbessert wird. Versuchsergebnisse unterstützen diese Auffassung, indem sie im Vergleich zu einer Hülse mit nur einer katalytischen Beschichtung auf der Innenfläche eine bedeutende Verringerung der Zünderverzögerung für Hülsen zeigen, die eine katalytische Beschichtung sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenfläche aufweisen. 11 ist eine graphische Darstellung, in der eine normalisierte Zündverzögerung als Funktion der Glühkerzenvolumentemperatur aufgetragen ist. Wie bereits erwähnt, ist es zur Verbesserung der Glühkerzenbeständigkeit und -langlebigkeit wünschenswert, die Glühkerze mit einer geringeren Temperatur zu betreiben. 11 zeigt, daß durch Beschichtung der Innen- und Außenfläche der Glühkerzenhülse ein gasförmiger Brennstoff, wie zum Beispiel Erdgas, bei niedrigeren Temperaturen zuverlässig gezündet werden kann. Die aufgetragenen Rautensymbole zeigen die für eine Hülse mit einer katalytischen Beschichtung auf der Innen- und der Außenfläche der Glühkerzenhülse gemessenen Datenpunkte an, und die aufgetragenen Quadratsymbole zeigen die für eine Hülse, die nur auf der Innenfläche der Glühkerzenhülse eine katalytische Beschichtung aufweist, gemessenen Datenpunkte an. Die aufgetragenen Dreieckssymbole zeigen die Datenpunkte an, die gemessen wurden, als die Glühkerzenhülse unbeschichtet war. Bei all diesen Tests befand sich der Motor im Leerlauf und wurde ohne Abgasrückführung (AGR) betrieben.
Wie für den Fachmann anhand der vorangehenden Offenbarung offensichtlich, sind bei der Ausübung der vorliegenden Erfindung viele Änderungen und Modifikationen möglich, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Demgemäß soll der Schutzbereich der Erfindung gemäß ihrem durch die folgenden Ansprüche definierten Inhalt ausgelegt werden.
Zusammenfassung
Ein Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betrieb desselben mit direkter Einspritzung von gasförmigen Brennstoff in eine Verbrennungskammer und eine in der Brennkammer angeordnete Zündhilfevorrichtung werden bereitgestellt. Die in der Brennkammer angeordnete Zündhilfevorrichtung weist einen elektrischen Glühzünder mit einer um den Zünder angeordneten Hülse und einer katalytischen Legierung auf. Die katalytische Legierung weist ein erstes katalytisches Element mit einer größeren Affinität für Sauerstoff als ein zweites katalytisches Element auf, und das zweite katalytische Element weist eine größere Affinität für den Brennstoff als das erste katalytische Element auf.
(1)

Claims

Verbrennungsmotor mit einer durch einen Zylinder definierten Brennkammer, einem ein Ende des Zylinders bedeckenden Zylinderkopf und einem im Zylinder hin und her bewegbaren Kolben, der einen zum Zylinderkopf weisenden Kolbenkopf aufweist; wobei der Motor folgendes aufweist: (a) eine Einlaßöffnung zur Einleitung einer Ladung in die Brennkammer; (b) eine Auslaßöffnung zum Abführen von Verbrennungsprodukten aus der Brennkammer; (c) ein im Zylinderkopf angeordnetes Brennstoffeinspritzventil zum direkten Einleiten eines Brennstoffs in die Brennkammer; und (d) eine in der Brennkammer angeordnete Zündhilfevorrichtung, die einen elektrischen Glühzünder mit einer um den Zünder herum angeordneten Hülse und einer katalytischen Legierung aufweist, wobei die katalytische Legierung ein erstes katalytisches Element mit einer höheren Affinität zu Sauerstoff als die eines zweiten katalytischen Elements aufweist und wobei das zweite katalytische Element eine höhere Affinität zu dem Brennstoff als die des ersten katalytischen Elements besitzt.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei der Brennstoff ein gasförmiger Brennstoff ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei der Brennstoff Methan aufweist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, wobei der gasförmige Brennstoff Erdgas ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das erste katalytische Element Ruthenium ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das zweite katalytische Element aus der Gruppe bestehend aus Palladium und Platin ausgewählt ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, wobei das erste katalytische Element einen höheren Gewichtsanteil der katalytischen Legierung darstellt als das zweite katalytische Element.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, wobei von dem katalytischen Material in der katalytischen Legierung das erste katalytische Element ca. 75 Gew.-% beträgt.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Hülse eine zum Zünder weisende Innenfläche und eine zur Brennkammer weisende Außenfläche aufweist und die katalytische Beschichtung sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenfläche angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Hülse einen den Zünder umgebenden röhrenförmigen Abschnitt und ein offenes Ende aufweist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Hülse einen den Zünder umgebenden röhrenförmigen Abschnitt, ein geschlossenes Ende und mehrere Löcher zur Einleitung eines den Brennstoff umfassenden brennbaren Gemisches in einen Raum zwischen der Hülse und dem Zünder und zum Austreiben bzw. Austreten einer Verbrennungsflamme aus dem Raum in die Brennkammer aufweist.
Verfahren zur Unterstützung der Zündung eines Brennstoffs in einem in Betrieb stehenden Verbrennungsmotor in jedem Motorzyklus, wobei das Verfahren folgendes aufweist: Einleiten einer Ladung durch eine Einlaßöffnung in die Brennkammer; Einspritzen des Brennstoffs direkt in die Brennkammer; elektrisches Erwärmen einer Glühkerze zur Unterstützung der Zündung des Brennstoffs; Abführen von Verbrennungsprodukten durch eine Auslaßöffnung aus der Brennkammer; und Abschirmen der Glühkerze mit einer von und im wesentlichen um die Seiten der Glühkerze beabstandeten Hülse, wobei die Hülse eine darauf abgeschiedene, katalytische Beschichtung aufweist, wobei die katalytische Beschichtung ein erstes katalytisches Element und ein zweites katalytisches Element aufweist, wobei das erste katalytische Element eine höhere Affinität zu Sauerstoff besitzt als die des zweiten katalytischen Elements und das zweite katalytische Element eine höhere Affinität zu dem Brennstoff besitzt als die des ersten katalytischen Elements.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das erste katalytische Element Ruthenium ist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das zweite katalytische Element Palladium ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die katalytische Beschichtung auf der zur Glühkerze weisenden Innenfläche der Hülse und der zur Brennkammer weisenden Außenfläche der Hülse abgeschieden bzw. aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, das weiterhin eine Wärmebehandlung der Hülse nach dem Abscheiden der katalytischen Beschichtung darauf und vor Installation und Verwendung in einem Motor aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Wärmebehandlung das Erwärmen der Hülse in Luft auf eine Temperatur von 500 bis 1000 Grad Celsius für mindestens 10 Minuten aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei der Brennstoff Erdgas ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei die Glühkerze durch Anlegen einer Spannung zwischen 10 Volt und 12 Volt erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei das Einspritzen des Brennstoffs beginnt, wenn ein sich im Zylinder hin und her bewegender Kolben sich zwischen 40 Grad vor dem oberen Totpunkt und 10 Grad hinter dem oberen Totpunkt befindet.