DE19524015A1

DE19524015A1 - Wärmekraftmaschinen - Kolben/Brennkammeranordnung

Info

Publication number: DE19524015A1
Application number: DE19524015A
Authority: DE
Inventors: V Durga Nageswar Rao
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1994-09-29
Filing date: 1995-06-30
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2015-07-01
Also published as: CA2159232A1; GB2293863B; GB9516811D0; DE19524015C2; GB2293863A; US5477820A; JPH08100659A

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftmaschinen-Kol ben/Brennkammeranordnung mit einer Gasverbrennungszone, wobei der Motor eine brennbare Charge in die Zone zur Verbrennung führt Verfahren zur thermischen Steuerung der Wärme einer Brennkraftmaschine, wobei die Maschine Brennkammerwände zur Verbrennung einer gasförmigen Mischung von Luft und Treibstoff, einen Kühlmantel zum Kühlen der Wände und einen entlang eines Teiles der Wände bewegbaren Kolben aufweist. Die Erfindung bezieht sich also auf die Auslegung und Her stellung von Kolben und entsprechend angepaßte Wärmekraftma schinen-komponenten-Oberflächen für mit fossilen Brennstoffen betriebene Motoren, wobei diese Oberflächen die Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie und aus dem Ver brennungsprozeß resultierende Emissionen betreffen; insbeson dere bezieht sich die Erfindung auf die Oberflächen von Brennraum und Aufladekammern, eingeschlossen Kolbenauslegun gen und Materialien, die

(i) Wärme selektiv speichern und abgeben können;
(ii) die Oberflächen der Temperatur des Kolbens und Komponen ten steuern oder begrenzen, oder
(iii) die thermische Expansion von Komponenten, hauptsächlich Kolben, in einer Brennkraftmaschine steuern oder verhindern.

In Wärmekraftmaschinen, wie in den heutigen Kraftfahrzeugen verwendeten Verbrennungsmotoren (benzin- oder dieselbetriebe nen) wird ein Teil der Wärme der Verbrennungsgase durch einen thermischen Weg abgegeben, der durch den Kolben (üblicherweise in Benzinmotoren aus Aluminiumlegierung herge stellt) und die Kolbenringe zu einem Metall-Motorblock und Zylinderkopf, die durch einen Wassermantel so gekühlt werden, so daß die Wärme abfällt, verläuft. Ein derartig parasitischer Wärmeverlust verringert die verfügbare Energie und den Motor wirkungsgrad. Aufgrund der Dynamik des Verbrennungszyklus und der Wärmeübergangscharakteristika eines Verbrennungsmotors wird beträchtliche Wärme entlang dieses thermischen Weges in den Komponenten während des Verbrennungs- und Abgasabschnitte des Motorbetriebszyklus gespeichert. Ein Teil der gespei cherten Wärme wird an die Brennstoff/Luftcharge während des Ansaug- und Kompressionshubs (bspw. bei einem Viertaktmotor) abgegeben. Dies ist insbesondere beim Betrieb eines mit Zünd funken gezündeten Benzinmotors nachteilig, deren Kompressi onsverhältnis durch die Klopfzahl bestimmt wird. Demzufolge wird das Kompressionsverhältnis so ausgewählt, daß ein Klop fen des Motors durch Selbstzündung vermieden wird. Je höher das durch die Selbstzündung begrenzte Kompressionsverhältnis ist, je höher werden Motor-Energie und Motoreffizienz. Demzu folge entspricht jede Reduktion des Kompressionsverhältnisses um einen Punkt aufgrund derartiger Einschränkungen durch die Auslegung des Motors einer entsprechenden Reduktion der Kraftstoff-Effizienz von etwa 2 bis 2,5 Prozent und 2,5 bis 3 Prozent Verlust Motorleistung. Das Kompressionsverhältnis wird reduziert, da hohe Kompression leichter ein wenig ver dichtetes Gas auf über das Klopftemperaturlimit erhitzte.

Es ist ein Ziel der Erfindung, möglichst viel Verbrennungs wärme für die Ausübung mechanischer Arbeit während des Ver brennungs/Expansionshubs zum Antrieb der Maschine zu erhal ten. Bei einer mittels eines Zündfunkens gezündeten Maschine ist es erwünscht, den Wärmeübergang vom Kolben oder anderen Brennraumkomponenten in die Charge während des Ansaughubs zu steuern, wodurch die volumetrische Effizienz des Motors ver bessert wird. Gespeicherte Wärme, die auf die angesaugte Charge übertragen wird, sollte lediglich ausreichen, um die Verdampfung des Kraftstoffes zur Vermeidung von Kondensation auf der Zylinderbohrungswand zu zu verbessern. Bei einem Die selmotor wird nach Anwärmen des Motors die Dichte der ange saugten Luftcharge wichtiger. Im Gegensatz zum mittels eines Zündfunken gezündeten Motors ist es aufgrund des verkürzten Zeitraums bis zur Selbstzündung um so besser für den Motorbe trieb, je wärmer die Charge nach Schließen des Ansaugventiles ist, wodurch die Verbrennung im Motor verbessert wird. Es ist auch erwünscht, die thermischen Expansionseigenschaften des Kolbenkörpers neben den Kolbenboden zu steuern, wenn derar tige thermische Bedingungen gesteuert werden sollen.

Versuche des Standes der Technik, den Wärmefluß durch die Kolben thermisch zu steuern, waren auf die Verwendung be stimmter Typen thermischer Barrieren begrenzt (Teflon im US- A-2817562; Nickelmetall im US-A-5158,052; und Chromoxid im US-A-4,735128). Derartige thermische Barrieren reichen nicht aus, Wärme richtig zu steuern, da sie unannehmbar dick sein müssen, wodurch die volumetrische Effizienz negativ beein flußt wird ( d. h. daß zuviel gespeicherte Wärme in die ange saugte Charge fließen kann); es wurde keinerlei Vorkehrung getroffen, die gespeicherte Wärme der Brennraumoberflächen unabhängig von der Abrasion an der Charge abzuleiten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Wärmeleitung als auch eine Motorkonstruktion zu schaffen, die eine derar tige Wärmebehandlung ermöglicht, die eines oder mehrere der nachfolgenden Ziele erreicht:

(i) Steuerung und Management des Wärmeübergangs, um die an die Motorkühlsysteme verschwendete Wärme zu verringern;
(ii) Halten der mittleren Temperatur der Motorkomponenten auf einem niedrigen Niveau, und
(iii) Verhindern, daß die abgespeicherte Wärme die Gasmi schungscharge während des Ansaugens und der Kompression uner wünscht erhitzt.

Eine derartige Wärmesteuerung führt zu größerer volumetri scher Leistung des Motors, Emissionsreduktion und Steigerung der Motorleistung, während bei Benzinmotoren ein höheres Kom pressionsverhältnis ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Wärme kraftmaschinen-Kolben/Brennkammeranordnung mit einer Gasver brennungszone, wobei der Motor (10) eine brennbare Charge in die Zone zur Verbrennung führt, gekennzeichnet durch:

(a) einen Kolbenkörper (27) mit einem Boden an der Gasver brennungszone;
(b) mit dem Kolben (29) die Gasverbrennungszone einschlie ßende Brennkammeroberflächen, und
(c) eine Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärme-Leitfä higkeit auf dem Boden und den Brennkammeroberflächen mit ei ner für den Einsatz als thermische Diode geeigneten Dicke (17), die den Wärmeübergang auf den Kolbenkörper (27) und Brennkammer sowie vor der Verbrennung auf die brennbare Charge begrenzt, sowie ein Verfahren zur thermischen Steuerung der Wärme einer Brenn kraftmaschine, wobei die Maschine Brennkammerwände zur Verbrennung einer gasförmigen Mischung von Luft und Treib stoff, einen Kühlmantel zum Kühlen der Wände und einen ent lang eines Teiles der Wände bewegbaren Kolben (29) aufweist, gekennzeichnet durch:
(a) Erhöhen des Kompressionsverhältnisses des Motors, so daß Klopfen bei in einer nicht mit Wärmeleitbeschichtung niedri ger Wärmeleitfähigkeit vorbereiteten Brennkammer hergerufen würde;
(b) Beschichtung mindestens des Kolbenbodens und der Brenn kammerwände mit einer Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit, die als Wärmediode den Wärmetransport in beiden Richtungen normal zur Wärmeleitbeschichtung (18) nied riger Wärmeleitfähigkeit einschränkt;
(c) Betreiben des Motors (10) mit der Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit auf der Brennkammerwand bei erhöhtem Kompressionsverhältnis, wobei neuen Chargen brennba rer Mischung niedrigerer Temperatur und volumetrischer Effi zienz in die Brennkammer eingesaugt werden und weniger Ver brennungswärme an den Kühlmantel verschwendet wird.

Dies bedeutet, daß die Beschichtung den Wärmefluß in das Mo torkühlmittel während der Verbrennung begrenzt, während ein begrenzter Wärmetransfer während der Ausdehnungs- und Aus stoß-Hübe des Kolbens ermöglicht wird; die Beschichtung be grenzt oder verhindert die gespeicherte Wärme daran, in die neue Charge brennbaren Materials während des Ansaug- und Kom pressionshubes zu fließen. Da die Wärmeleitfähigkeit umge kehrt proportional der Dichte und der spezifischen Wärmekapa zität des Beschichtungsmaterials ist, muß das Material unter Berücksichtung anhand von mehr, als der thermischen Leitfä higkeit, die lediglich charakteristisch für Auswahlverfahren nach dem Stand der Technik war, ausgewählt werden. Die Dicke der Diodenschicht niedriger Wärmeleitfähigkeit ist wichtig, da sie minimal sein muß, während sie gleichzeitig ausreichend Masse aufweisen muß, um ein geeignetes Wärmetransportverhal ten sicherzustellen.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung bezieht sich diese auf ein Verfahren zur thermischen Behandlung von durch einen Verbrennungsmotor produzierter Wärme, um die Energie- und Treibstoffökonomie zu verbessern.

Um eine verbesserte volumetrische Effizienz zu erhalten, wer den die Ansaug-(und Abgas-)Krümmerwände so ausgelegt, daß sie Doppelwände (Luftspaltisolierte Konstruktionen) aufweisen, um Erwärmung der neuen Charge bei ihrer Bewegung vom Luftan saugteil in den Motor durch die Ansaugöffnung zu verhindern. Die Doppelwandkonstruktion zeigt eine sehr dünne Innenwand 0,0381-0,762 cm (etwa 0,015 bis 0,3 Inches) aus rostfreiem Stahl mit sehr niedriger thermischer Leitfähigkeit. Dies hin dert nicht nur Motorwärme daran, in die Charge zu fließen, sondern reduziert auch die Treibstoffkondensation während ei nes Kaltstarts.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, auf die diese allerdings keinen Fall beschränkt ist. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht eines zentral geschnittenen Verbrennungsmotors mit Zündung, die die thermischen Wärmeleitcharakteristika der Erfindung zeigt;

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt des beschichteten Brennraums der Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm der Physik des Wärmeübergangs von einer Gasmischung durch verschiedene Medien, eingeschlossen eine Gashüllschicht, die Beschichtung gemäß der Erfindung, das Metallsubstrat, eine flüssige Schicht Kühlmittel, und das flüssige Kühlmittel selbst;

Fig. 4 eine schematische Darstellung, wie die Medien der Fig. 3 als Widerstand gegen den Wärme-Fluß wirken;

Fig. 5 eine stark vergrößerte teilgeschnittenen Querschnittsansicht der oberen rechten Ecke eines Kolbens in einer Zylinderbohrungswand eines Verbrennungsmotors, in der die Prinzipien der Erfindung inkorporiert sind;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines einzelnen Ölweges zum Schmieren des Ventilzuges und der Verbrennungsfläche des Motors, wobei die Anordnung Doppelkühlung verwendet;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Doppelölweges zum Schmieren verschiedener Teile des Motors, wobei die Anordnung Öl niedrigerer Viskosität beim Kühlen der Kolben einsetzt; und

Fig. 8 eine aus Einzeldarstellungen zusammengesetzte Darstellung der Betriebsstationen eines Viertakt motors, die die Wärmeflußbegrenzung als Resultat der Beschichtungen und demzufolge zur Erzielung eines höheren Kompressionsverhältnisses zeigt.

Ohne Wärmeleitbeschichtungen auf dem Kolben und Brennraum wänden und ohne Verwendung von Doppelwandkonstruktionen der Ansaug- und Abgaskrümmer wird ein signifikanter Teil der Ver brennungswärme eines durch Zündfunken gezündeten Motors wäh rend der Expansions- und Ausstoßhübe auf den Boden eines Alu miniumkolbens und den Zylinderkopf geleitet. Der heißere Kol ben wird diese Wärme bei konventionellen Motoren durch die Kolbenringe, die den Zylinderblock kontaktieren, und danach zu einem Kühlmantel (im Motorblock oder Zylinderkopf) führen, wo die Wärme schließlich vernichtet wird. Der wärmere Kopf wird in ähnlicher Weise Wärme auf einen sich in diesen er streckenden Kühlmantel übertragen, wobei Wärme vernichtet wird. Diese Wärmevernichtungswege sind begrenzt und stark eingeschränkt; daher wird die Masse des Aluminiumkolbens dazu gezwungen, als Wärmesenke zu wirken. Durch den Kolbenkörper insbesondere die Bodenoberfläche eines nicht-beschichteten Kolbens absorbierte Wärme wird die Wärme durch die Kolben masse aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit des Kol benmetalls, wie Aluminium, geleitet. Demzufolge wird der Kol ben heißer und schwächer. Die heißeren Kolben- und Brennrau moberflächen beeinflussen in negativer Weise die Temperatur der ankommenden, in den Brennraum eingesaugten Ölmischung während der Ansaug- und Kompressionshübe; die An saugluft/Treibstoffmischung wird eine relativ höhere Tempera tur am Ende des Ansaughubes, verglichen mit dem Anfang anneh men, wodurch die volumetrische Effizienz verringert wird. Der Motorkonstrukteur wird das Kompressionsverhältnis der ge zündeten Motoren so einstellen, daß Klopfen vermieden wird Beispielsweise muß die Verbrennungsgastemperatur am Ende des Kompressionshubes so eingestellt werden, daß sie unter Be grenzung des Kompressionsverhältnisses niedriger ist. Die Wärme auf der Haut des Kolbenbodens wird die brennbare Mi schung im Brennraum selbst zünden, falls er die eingestellte Temperatur der Abrasiv-Schicht um 16,7-22,33°C (30 bis 40° Fahrenheit) überschreitet. Ferner wird der Kolben aufgrund der höheren Temperatur des Aluminiumkolbens (resultierend aus der absorbierten und verteilten Wärme) eine höhere thermische Expansionscharakteristik, unterschiedlich von der des die Zy linderbohrungswand bildenden Materials, haben. Dies fordert für die Auslegung des Aluminiumkolbens, daß dieser noch Spiel unter den extremsten Temperaturbedingungen, wie bei voller Motorlast, besitzt, um den schlimmsten Fall unterschiedlicher thermischer Expansion zwischen Kolben und Zylinderboh rungswand zu ertragen. Bei Teillastbedingungen eines Motors wird das Spiel zwischen Aluminiumkolben und Bohrung dem zufolge aufgrund der niedrigen Temperatur und dementsprechend niedrigeren thermischen Ausdehnung des Kolbens größer sein. Dies vergrößert signifikant das Hohlraumvolumen zwischen Kol ben und Bohrungswand, wodurch Emissionen mit hohem Kohlen stoffgehalt steigen als auch Gas durch die Kolbenringe und Bo den austritt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, verwendet die Erfindung Wärmesteuer schichten oder -mehrfachschichten, um die volumetrische Effi zienz der Wärmekraftmaschine (10) zu verbessern, Selbstzün dung bei höheren Kompressionsverhältnissen bei gezündeten Mo toren und Abgasemissionen zu reduzieren, als auch dazu, Ver unreinigungen der Brennraumoberfläche 12 über die Lebensdauer der Wärmekraftmaschine zu verhindern. Zunächst wird eine Schicht 18 niedriger thermischer Leitfähigkeit (niedriges Al pha), die als thermische Diode wirkt, auf den Kolbenboden und die Brennraumoberflächen 15 im Zylinderkopf aufgebracht (siehe Fig. 2 mit den Ventilkopfoberflächen 16). Die Wärme leitfähigkeit ist ein Ausdruck für das Verhältnis der thermi schen Leitfähigkeit (W/m_*°C) zum Vielfachen der Dichte (kg/m³) und der massenspezifischen Wärmekapazität (Joule/kg_*°C). Eine gute niedrige Wärmeleitzahl gemäß der Erfindung ist etwa die Hälfte derjenigen von Aluminium, wie 93_*10^-6 für Aluminium, Zirkon 54_*10^-6, Rostfreier Stahl 316 51_*10^-6, und Titanlegierung 62_*10^-6 metrische Einheiten. Zum Einsatz als Diode für den erfindungsgemäßen Zweck, muß die Schicht

(i) eine relativ niedrige thermische Leitfähigkeit
(ii) eine vorherbestimmte erwünschte Menge Wärmekalorien auf nehmen können, um die Wärmeleitung in einer Richtung, die zur Kühlung verschleudert würde, zu begrenzen, und
(iii) ausreichend dünn sein oder eine genügend geringe Masse aufweisen, um den Fluß von gespeicherter Wärme umgekehrter Richtung an eine ankommende kältere Gascharge zu begrenzen.

Die Schichttemperatur wird bei geringem Wärmeübergang über die Schicht steigen; am Ende des Ausstoßhubes ist der Kolben boden kälter da der Wärmefluß die Metallkomponenten heizt, aber nicht der Wärmefluß aus den Komponenten zu einem Kühl mittel gehindert wird. Die Diodenschicht erniedrigt im we sentlichen den Wärmeübergang auf das Kühlsystem stark oder begrenzen ihn, wobei die gespeicherte Wärmemenge so einge schränkt ist, daß die Rückübertragung auf eine neu ankommende Charge während des Ansaughubes und der Kompression begrenzt ist und Wärme, die an den Kolben übertragen wird oder leicht durch besser leitende Wege abfließt, wie nachfolgend be schrieben werden wird. Die Diodenschicht wird in einem gezün deten Benzinmotor typischerweise eine stabile Temperatur von etwa 190°C (375°F) ereichen, wodurch es dem Kolbenboden un ter der Beschichtung mindestens 55,56°C (100°F) kühler sein kann, wenn angenommen wird, daß die Gasmischung sich bei etwa 260°C (500°F) befindet und die Kühlmitteltemperatur etwa 37,78°C (160°F) beträgt.

Beispiele eines thermisch leitfähigen Materials für die ther mische Diode gemäß der Erfindung umfaßt Titanaluminid, Titan- 6-Aluminiumlegierung, Zirkonoxid, Thoriumoxid und rostfreien Stahl der 200-er oder 300-er Serie (bspw. 316ss) mit Chrom (etwa 20%) und Nickel (etwa 8%).

Die nachfolgende Tabelle erläutert spezifische Wärmeleitzah len für für jedes der vorgenannten Beispiele, eingeschlossen ihre entsprechende Wärmeleitfähigkeit, Dichte und spezifische Wärmewerte.

Die Wärmeleitfähigkeit sollte gering, im Bereich von nahe Null bis 21 W/m°K sein; die Dichte ist üblicherweise im Be triebsbereich von 5000 bis 9000 kg/m³; die spezifische Wärme ist größer als 500 J/kg°K; die Dicke der Beschichtung sollte im Betriebsbereich von 0,75 bis 1,22 mm betragen und die Wär meleitzahl liegt demzufolge im Bereich von nahe Null bis 62.

Die Dicke 17 einer derartigen Beschichtung niedriger Wärme leitfähigkeit 18 ist kritisch für ihre Funktion als thermi sche Diode aufgrund des zyklischen Betriebs (d. h. Erhitzen und Abkühlen) der Motorkomponenten. Wie in Fig. 3 gezeigt, kann die Physik des Wärmeverlustes der Gasmischung 18 so ver deutlicht werden, daß er thermisch aus einem Weg durch eine Gasgrenzschicht 19 besteht, die direkt angrenzend an das mas sive Metall 20 (oder der Wärmeleitschicht niedriger thermi scher Leitfähigkeit 17 gemäß der Erfindung), durch die Dicke des massiven Metalls und danach durch eine dünne Grenz schicht 21 aus Luft oder Wasser als Kühlmittel 22 (dient zur Aufnahme der übertragenen Wärme und Abgabe an die Atmosphäre) verläuft. Es besteht ein thermischer Grandient durch jede Schicht 19, 20 und 21, wobei der größte, aber kürzeste Gran dient in den Schichten 19 und 21 auftritt. Ähnliche Wärmever lust-Physik tritt durch die oberen Ränder 23 der Zylinder wände auf, wobei ein derartiger Wärmeverlust zusätzlich durch das Öl beeinflußt wird, das aus dem Motorkurbelwellengehäuse hochspritzt. Die optimale Dicke der Beschichtung für die ver schiedenen Materialien ist durch experimentelle Daten auf 0,7700 mm für Thoriumoxid; 0,76 mm für Zirkonoxid; 0,80 mm für Titan-Aluminid und 0,85 mm für rostfreien Stahl 316 bestimmt worden.

Die Beschichtung wird bevorzugt aufgebracht, indem zunächst die Kolbenbodenoberfläche 14 und andere Brennraumoberflächen 15 sowie die Ventilkopfoberfläche 16 gesäubert und ver unreinigungsfrei vorbereitet werden; als nächstes wird das Diodenbeschichtungsmaterial auf derart gereinigte Oberflächen bspw. durch Plasma-/thermisches Spritzen auf den Kolbenboden und andere Brennraumoberflächen, aufgebracht. Das Wärmeleit fähigkeitsmaterial kann in Pulverform aufgebracht werden, das in Plasma injiziert wird oder als Lösung in einem Lösungsmit tel zum Aufspritzen bei Umgebungstemperatur. Die plasmage spritzte Beschichtung sollte eine Haftkraft am Kolben von oberhalb 0,957 bar (2000 psi), bevorzugt oberhalb 2,873 bar (6000 psi), sowie eine Porosität von 3 bis 5% besitzen. Falls Aufsprühen mit Lösungsmitteln eingesetzt wird, wird das Lösungsmittel vor dem Aufsprühen mit geeigneten Feststoffen, wie Zirkonoxid, Titanaluminiumlegierung oder rostfreiem Stahl als auch mit einem geeigneten Bindemittel, wie Hochtempera turpolaimid-Amid, gefüllt. Nach Beendigung des Spritzens mit Lösungsmittel haftet die Mischung am Substrat und das Lö sungsmittel verdampft. Falls der Kolbenboden 14 eine abge flachte Oberfläche 14a besitzt, folgt die Schicht 13 den Kon turen dieser zentralen Abflachung (siehe Fig. 2 und 5). Um eine derartige Anpassung zu ermöglichen, ist die Partikel größe des eingesetzten Pulvermaterials beim Abscheiden im Be reich von 85-30 Mikron, bevorzugt 60-45 Mikron.

Die Kammerwände, insbesondere des Aluminiumkolbenbodens 14, können isolierte oder dispergierte Kohlenstoffablagerungen während des Betriebes aufnehmen, wobei diese Ablagerungen manchmal verkoken und Verunreinigungen hervorrufen, die sowohl Selbstzündung als auch Abrieb und Fressen des Zylin ders dann, wenn sie zwischen die Kolbenringe geraten, hervor rufen. In ähnlicher Weise kann die thermische Dioden oberfläche 13 auf einer derartigen Oberfläche auch durch der artige Ablagerungen verunreinigt werden. Um die Anhaftung derartiger Verunreinigungen an der Oberfläche des Kolbenbo dens zu vermeiden und derartige Ablagerungen an Kondensation auf der Beschichtung zu hindern, wird ein ultradünner Überzug 25 (siehe Fig. 5) hochinerten Materials auf die Wärmeleit schicht 13 aufgebracht. Eine derartige Ablagerungsverhinde rungsschicht 25 sollte aus einem Material bestehen, das be vorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Gold, Aluminiumbronze, Platin, Titannitrid, Siliziumnitrid, Nickel aluminid und Titanaluminid. Die Ablagerungsverhinderungs schicht 25 sollte in einer Dicke bevorzugt im Bereich von 100 Ångström bis 5 Mikron aufgebracht werden. Die sehr dünne Schicht wird nicht mit dem thermischen Diodeneffekt der Be schichtung, auf die sie aufgebracht wird, interferieren. Die Ablagerungsverhinderungsschicht muß offensichtlich bei extrem hohen Temperaturen, wie oberhalb 648,89°C (1200°F) stabil sein.

Verstärkte Ableitung von Wärme aus Metallkammeroberflächen

Obwohl die thermische Diodenschicht 13 den Wärmefluß zum Kol benkörper 27, zur kalorischen Kapazität der Beschichtung, be grenzt (wodurch die Gesamttemperatur der Hauptkörpermasse des Aluminiumkolbens verringert wird) wird die Temperatur des Kolbenkörpers 27 immer noch ausreichend hoch sein, um eine thermische Differentialexpansion mit der Zylinderbohrungs wand 31 zu erfahren, wobei die Bohrungswand 31 aus dem glei chen oder einem unterschiedlichen Material ist. Zur Steuerung und Verhinderung derartiger differenzieller Expansion unter extremen Bedingungen kann ein Einsatz 26 niederer thermischer Expansion und hoher Leitfähigkeit direkt unterhalb, aber mit Abstand von der thermischen Diffusionsschicht 13 vor Ort ge gossen werden. Der Einsatz 26 kann ein Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus festem Kohlenstoff (Graphit), Siliciumcarbid, Siliziumnitrid, Titanaluminiumlegierung oder eines keramischen Materials mit einem niederen Ausdehnungsko effizienten, wie Cordierit, oder β-Spodumena, aufweisen; an dere Materialien können eingesetzt werden, wenn sie ausrei chende Verträglichkeit mit dem Aluminium besitzen, sowie niedrige thermische Expansion und niedriges Gewicht. Bevor zugt wird der Einsatz eines Metallmatrixkompositwerkstoffes aus Aluminiumpulver und Fasern niedriger thermischer Expan sion hergestellt, wie Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Aluminiumoxid. Die Fasern sollten bevorzugt in Richtung der angenommenen thermischen Ausdehnung verlaufen, um thermische Expansion zu verhindern. Der Einsatz kann als gelochte Scheibe, in Ringform, oder als geschnittene Scheibe einer Wa benmatrix hergestellt sein. Der Einsatz sollte vor Ort gegos sen werden, indem der Einsatz auf etwa 40% der Temperatur ge schmolzenen Aluminiums erhitzt wird, um darum herum gegossen zu werden. Der Einsatz wird reduzierte thermische Ausdehnung bei Temperaturextrema, die durch Motorgeschwindigkeitsände rungen hervorgerufen werden, schaffen.

Mit der differentiellen thermischen Expansionssteuerung kann die oberste kreisförmige Erhebung 28 des Kolbens 29 eine eng anliegende, thermisch leitfähige Abrasiv-Schicht 30 aufwei sen, die einen längeren thermischen Weg vom Kolben 29 zur Zy linderbohrungswand 31 des Motorblocks 32 schafft. Dadurch kann der Kolben 21

(i) niedrigere Temperatur beibehalten und
(ii) im wesentlichen kein Spiel an der Zylinderbohrungswand 31 haben, unabhängig von der Wirkung der Kolbenringe 33.

Die Abrasiv-Schicht 30 wird auf der kreisförmigen Erhebung 28 in einer Dicke aufgebracht, die mindestens gleich, aber be vorzugt etwas größer als jegliches Spiel zwischen der kreis förmigen Erhebung 28 und der Zylinderbohrungswand 31 ist, so daß sich die Abrasiv-Schicht 30 während des anfänglichen Mo torbetriebes abnutzt und auf eine glatte Oberfläche poliert, entsprechend dem Ring der Zylinderbohrungswand 31 mit im we sentlichen keinem oder nur geringem radialem Spiel zwischen Beschichtung und einem Ölfilm 34 auf der Zylinderbohrungswand 31. "Abschleifen" im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erfindung bedeutet, daß die Beschichtung sich leicht beim Druckkontakt gegen die Zylinderbohrungswand abschleift. Un ter "Abrasiv-Schicht 30" werden hierbei nicht Materialien wie Teflon oder Polymere, die weich werden, unter Auffüllen von Kolbenringvertiefungen fließen und so in negativer Weise die Ringfunktion beeinträchtigen, verstanden.

Der vergrößerte direkte thermische Weg vom Kolben durch die Abrasivschicht 30 wird durch Einbau leitfähiger Partikel, oder Flocken 35, wie Kupfer oder Aluminium, in die Schichtma trix erreicht; Kupferflocken sind das bevorzugte Medium. Bei im wesentlichen Null Spiel kann der Kolben in der Zylinder bohrungswand mit nur einer Gasfilmschmierschicht dazwischen betrieben werden, wobei angenommen wird, daß ein Ölfilm auf der Zylinderbohrungswand nicht funktioniert. Falls das Spiel zwischen der Abrasiv-Schicht 30 und der Zylinderbohrungswand 31 oder dem darauf befindlichen Ölfilm 34 so ausgelegt ist oder größer als 5 Mikron werden darf (beispielsweise bis zu 10-15 Mikron) sollte die Abrasiv-Schicht einen notwendigen Gehalt an Festfilm-Schmierstoffen enthalten. Derartige feste Schmierstoffe werden so definiert, daß sie Material aufwei sen, das einen Reibungskoeffizient nicht über 0,06 bei 204,44 -371.11°C (400-700°F) hat und bei den Temperaturen ther misch stabil ist. Eine Schicht, die diese Kriterien erfüllt, umfaßt bevorzugt eine Mischung von mindestens zwei Elementen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, Molybdändi sulfid und Bornitrid; die Mischung wird in einer Polymeremul sion zur Ablagerung aufgebracht, wobei das Polymer (Polyamid oder ein thermisch aushärtendes Epoxiharz) die Filmbeschich tung auf der -Oberfläche der Erhebung befestigt. Um die dif ferenzielle thermische Expansion weiter zu steuern kann das Kolbeninnere 29a) mit Öl aus dem Kuppelwellensumpf 37) be sprüht werden. Das Öl kann aus dem Sumpf 37) abgezogen und gepumpt werden und die Pleuelstange 38 herauf befördert wer den und danach durch radiale Öffnungen 39 im kleineren Ende 38a) der Pleuelstange 38 aufgespritzt werden, um die Innen oberfläche 29a) des Kolbens 29 zu bedecken. Eine derartige Ölspritzkühlung der Unterseite 29a) des Kolbens und eine Tauchkühlung der Zylinderwand 34 wird das Kol ben/Zylinderbohrungsspiel (40) im erwünschten Bereich halten, der bevorzugt im wesentlichen Null ist. Falls die Ölspritz kühlung versagt, würde entsprechendes Überhitzen des Kolben bodens und seine Vergrößerung normalerweise zum Ausfall des Motors führen; die Abrasiv-Schicht 30 verhindert jedoch kata strophale Folgen.

Um die Wirksamkeit der Ölkühlung des Kolbens und der Zylin derwand zu verbessern, sollte der Ölkreislauf für die Kolben kühlung von anderen Ölkühlaufgaben getrennt sein, wie für die Kurbelwelle und die Ventilzugschmierung und -kühlung. Wie in Fig. 6 gezeigt, umfaßt einen Doppelkühlungeinfachkreislauf für einen V8-Motorblock eine Hauptölpumpe 40, die unter Druck befindliches Fluid über eine Leitung 41 zu einem Ölfilter 42 und einem ersten Ölkühler 43 und danach zu einer Haupthori zontalrückleitung 44 führt. Die nach unten führenden Lei tungen 45, 46, 47, 48 (von den vier Stationen entlang der Hauptrückleitung 44) liefern Öl entsprechend zu den Kurbel wellenlagern 49. Die nach oben führenden Leitungen (51 und 52 liefern Öl jeweils zur Ventilanordnung (53 und 54 für jeden Motorkopf auf jeder Seite des Blocks in V-Anordnung; das Öl läuft zum Sumpf (55 von den Layouts 53 und 54) durch nicht gezeigte Leitungen. Um eine zusätzliche Kühlung des zur Ven tilanordnung im Kreis geführten Öls zu ermöglichen, wird ein Zweitkühler 62 eingesetzt, der sich in einer Leitung 64 be findet, um Öl, das aus der Leitung 63 entnommen wird und aus dem ersten Ölkühler 43 stammt, zu kühlen; die Leitung 64 teilt und verbindet mit den Ventilanordnungen an anderen Stellen. Der zweite Ölkühler 62 sollte Öl auf einer Maximal temperatur von etwa 71,11°C (160°F) halten. Eine derart re duzierte Temperatur erleichtert die Erniedrigung der Gesamt temperatur der Motorköpfe und begrenzt dadurch die Wärme, die auf die angesaugte Charge von den Ansaugöffnungen und dem An saugkrümmer übertragen werden kann.

Um die Verwendung eines Öls niedriger Viskosität nur für die Zylinder- und Kolbenwände zu erleichtern, zeigt Fig. 7 eine Anordnung, bei der das zur Ventilanordnung im Kreis geführte Öl vom Hauptölkreislauf (80) für die Kolben- und Zylinder wände isoliert ist; ein derart isolierter Ölkreislauf (81 hat seine eigene kleine elektrische Ölpumpe (82, um den Kreislauf aufrecht zu erhalten.

Die Ölkühlung für das Kolbeninnere 56 wird durch eine sich nach oben erstreckende Leitung 57 dagestellt, die Öl nach oben in das Kolbeninnere führt. Wie insbesondere in Fig. 1 gezeigt, kann Öl zum inneren des Kolbens durch die Pleuel stange 38, oder - äquivalent dazu - entlang des Kolbeninneren - gespritzt werden und danach zum Sumpf 55 durch den Weg 58 zurückkehren. Ähnliche Leitungen 59, 60, 61 erstrecken sich nach oben von jedem Kurbelwellenlager, um die anderen Kolben auf einer Seite des Motors zu versorgen; komplementäre Lei tungen mit komplementären Pumpen versorgen die Kolben auf der anderen Seite der Motor. Öl wird aus den Öffnungen in den Kurbelwellenlagern, wie sie mit (70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77) bezeichnet sind, auf die acht Zylinderbohrungswände, ge spritzt. Das Öl für diesen Kreislauf 80) sollte von niederer Viskosität sein, wie von 3 bis 5 Cp. bei 40° Celsius (verglichen mit 100 Cp bei konventionellen Motorölsystemen) da die niedrigere Viskosität die Motorreibung und Ölpumpen- Energieverluste bei unter -17,78°C (0°F) verringert. Es ist wichtig, den Kolbenzylinderwandkreislauf zu trennen, um nied rigere Reibung und leichtes Pumpen bei sehr niedrigen Tempe raturen zu erleichtern.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Wär memanagement der durch einen Verbrennungsmotor mit mehr als einem sich entlang einer Wand bewegenden Kolben generierten Wärme, wobei ein derartiger Motor einen Brennraum zur Ver brennung einer gasförmigen Mischung von Luft und Treibstoff, sowie einen Kühlmantel zum Kühlen dieser Wand aufweist. Das Verfahren umfaßt das Erhöhen des Kompressionsverhältnisses des Motors (nämlich um etwa 10-20%); Beschichten des am Brennraum liegenden Kolbenbodens mit einer Schicht niedriger Wärmeleitfähigkeit, die als Wärmediode dient; und Betreiben des Motors mit einem derart beschichteten Kolben und erhöhtem Kompressionsverhältnis, wodurch eine frische Mischung bei ei ner niedrigeren Temperatur bei größerer volumetrischer Effi zienz in der Brennraum eingesaugt wird und weniger Wärme vom Kolbenboden auf diese Charge übertragen wird. Es wird weniger Verbrennungswärme an den Kühlmantel verschwendet. Bei einem Motor mit einem Hubraum von etwa 3,0 Liter kann das Kompressionsverhältnis von etwa 8 : 1 bis auf etwa 10 : 1 er höht werden. Die frisch zum Motor angesaugte Mischung kann in ihrer Temperatur von etwa 71,11°C (160°F) auf etwa 48,89°C (120°F) am Anfang des Kompressionshubs erniedrigt werden. Es wird weniger Wärme auf die Charge übertragen, indem diese der aufgebrachten Schicht des Kolbens ausgesetzt wird, wodurch die von einem vorangehenden Kolbenbetriebszyklus gespeicherte Wärme daran gehindert wird diese neue Chargenmenge vor der Verbrennung zu erwärmen.

Die Dicke der Schicht sollte minimiert werden, um die Glei chung niedriger Leitfähigkeit zu erfüllen (das heißt weniger als 1 mm).

Demzufolge befindet sich, wie in Fig. 8 gezeigt, der be schichtete Kolben in Stufe 1 fast am Ende eines Ausstoßhubes wobei nur das Abgasventil offen ist. Bei einem sehr kurzen Weg zur Vervollständigung des Ausstoßhubes (wie in Stufe 2) werden sowohl das Ansaug-, als auch das Ablaßventil geöffnet. Wenn die angesaugte Charge in die Zylinderbohrung eingesaugt wird (Stufe 3) bei einer Temperatur von etwa 32,22-37,78°C (90°-100°F) (typisch für Ansaugleitungstemperaturen) fin det Wärmeübergang von der Schicht 13 (die vorher durch den zyklischen Betrieb aufgeheizt wurde) statt, der jedoch stark durch den kalorischen Gehalt der Schicht und durch die be grenzte thermische Leitfähigkeit der Schicht begrenzt ist. Eine derartige Charge wird ihre Temperatur um etwa 11,11°C (20°F) während des Einsaugens erhöhen. Da nun eine größere Menge Mischung in die Brennraum aufgrund ihrer niedrigeren Temperatur von 48,89°C (120°F) und höherer Dichte (gegenüber dem Stand der Technik von 71,11°C (160°F)) eingesaugt werden kann, wird die volumetrische Effizienz erhöht, wodurch der Motorkonstrukteur das Kompressionsverhältnis erhöhen kann (beispielsweise von etwa 8 : 1 auf 10 : 1) ohne zu befürch ten, daß die Charge die Selbstzündetemperatur von etwa 426,67°C (800°F) während des Kompressionshubes erreicht. (Stufe 4). Die Beschichtung begrenzt den Wärmeübergang von den Brennraumwänden auf die Charge während des Kompressions hubes aufgrund ihrer niedrigen Wärmeleitfähigkeit. Die Zün dung erfolgt (Stufe 5) und während der Expansion wird Dros selwärme auf den Kolben und die Bohrungswände übertragen, wo bei dies als Resultat der Anwesenheit der Schicht niedriger Wärmeleitfähigkeit erfolgt, was der Reservierung einer größe ren Menge Verbrennungswärme zur Umwandlung in Arbeit während eines derartigen Leistungshubes dient.

Die thermische Diodenschicht kann ferner mit einer Ablage rungsverhinderungsschicht geschützt werden, wie Gold in einer sehr dünnen Schicht. Das Verfahren kann ferner die Herstel lung des Kolbens so umfassen, daß dieser nicht nur eine Wärmediodenbeschichtung auf seinem Boden besitzt, sondern auch einen Einsatz direkt unterhalb der Diodenschicht mit niedrigem thermischem Expansionskoeffizienten und hoher ther mischer Leitfähigkeit. Diese erhält die Form des Kolbenbo dens, um thermische Expansionsänderungen, die aus den Ände rungen der Motorgeschwindigkeit/last auftreten, aufzunehmen und um Wärme schnell an den Ölsprühnebel abzugeben, um so den Temperaturanstieg im Kolben zu minimieren.

Das Verfahren kann ferner auch die Herstellung des Kolbens so umfassen, daß verbesserte Wärmesenke-Eingenschaften auftre ten, wie durch

(i) eine thermisch leitfähige Abrasiv-Schicht auf der ober sten Erhebung, die dazu dient, Wärme an den Motorblock abzu leiten, und/oder
(ii) ein Ölspritzsystem zum Baden der Innenoberflächen des Kolbens mit Öl, was Wärmeübergang zum Ölkühlsystem der Motor bewirkt.

Bezugszeichenliste

10 Wärmekraftmaschine
11
12 Brennraumoberfläche
13 thermische Dioden-Oberfläche
14 Kolbenbodenoberfläche
14a abgeflachte Oberfläche von 14
15 Brennkammeroberflächen
16 Ventilkopfoberflächen
17 Dicke einer Schicht niedriger Wärmeleitfähigkeit
18 thermische Diodenschicht
19 Gasgrenzschicht
20 massives Metall
21 dünne Grenzschicht aus Luft und Wasser
22 Kühlmittel
23 obere Ränder der Zylinderwände
25
26 Einsatz
27 Kolbenkörper
28 oberste kreisförmige Ebene
29 Kolben
29a Innenoberfläche des Kolbens
29b Unterseite des Kolbens
30 thermisch leitfähige Abrasiv-Schicht
31 Zylinderbohrungswand
32 Motorblock
33 Kolbenringe
34 Ölfilm
34 Zylinderwand
35 Flocken therm. leitf. Materials, wie Kupfer
37 Kurbelwellensumpf
38 Pleuelstange
38a kleines Ende der Pleuelstange
39 radiale Öffnung im kleinen Ende 38a
40 Hauptölpumpe
41 Leitung
42 Ölfilter
43 erster Ölkühler
44 Hauptrückleitung
45, 46, 47, 48 nach unten führende Leitungen 49
51, 52 nach oben liefernde Leitungen
53, 54 Ventilanordnung
55 Sumpf
56 Kolbeninnere
57 sich nach oben erstreckende Leitung
58 Rückweg
59, 60, 61 Leitungen
62 Zweit-Ölkühler
63 Leitung
64 Leitung
70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77 Kurbelwellenlager
80 Hauptölkreislauf
81 isolierter Ölkreislauf 81
82 eigene kleine elektrische Ölpumpe

Claims

1. Wärmekraftmaschinen-Kolben/Brennkammeranordnung mit einer Gasverbrennungszone, wobei der Motor (10) eine brennbare Charge in die Zone zur Verbrennung führt, gekennzeichnet durch:

(a) einen Kolbenkörper (27) mit einem Boden an der Gasverbrennungszone;
(b) mit dem Kolben (29) die Gasverbrennungszone einschließende Brennkammeroberflächen, und
(c) eine Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärme- Leitfähigkeit auf dem Boden und den Brennkammeroberflächen mit einer für den Einsatz als thermische Diode geeigneten Dicke (17), die den Wärmeübergang auf den Kolbenkörper (27) und Brennkammer sowie vor der Verbrennung auf die brennbare Charge begrenzt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit eine Wärmeleitzahl im Bereich von nahe 0 bis 70 metrische Einheiten (entsprechend 93 für Aluminiumkolben) aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (17) der Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,5 bis 1,8 mm liegt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit aus Thoriumoxid mit einer Dicke (17) von etwa 0,7 mm (700 Mikron) besteht.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit aus Zirkonoxid mit einer Dicke (17) von etwa 0,76 mm besteht.

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit aus Titanaluminiumlegierung mit einer Dicke (17) von etwa 0,8 mm besteht.

7. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit aus rostfreiem Stahl mit 22 Gew. % Chrom besteht und eine Dicke (17) von etwa 0,85 mm aufweist.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) eine vergrößerte Wärmesenke aufweist, um die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit und dem Boden oder den Kammeroberflächen zu verringern.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) eine Luftspaltisolation, um Wärmeübergang vom Motor (10) auf die Charge, bevor diese die Brennzone erreicht, aufweist.

10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke einen gekühlten Motorblock und Zylinderkopf aus Aluminiumlegierung sowie eine thermisch leitfähige Abrasiv-Gleitbeschichtung (18) auf mindestens einigen Bereichen der Kolbenseitenwände, um einen guten Wärmetransport zum gekühlten Motorblock und Zylinderkopf herzustellen.

11. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenkörper (27) aus Aluminium besteht und die vergrößerte Wärmesenke Mittel zum Aufspritzen von Öl oder Schmiermittel auf das Innere des Kolbenkörpers (27) aufweist.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner einen Kolbenkörper (27) mit einem Einsatz (26) aufweist, der neben und entlang der Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit angebracht ist, der aus einem Material niedriger thermischer Expansion sowie hoher thermischer Leitfähigkeit besteht.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (26) eine Dicke von etwa 1-4 mm aufweist und aus einem Metallmatrixkompositwerkstoff aus Aluminiumpulver und mindestens einer der nachfolgenden Gruppe von Verbindungen, bestehend aus Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Aluminiumoxidfasern, die in Richtung des zu erwartenden thermischen Wachstums orientiert sind, oder aus geformtem Kohlenstoffgraphit auf einer Graphitmatrixwabenstruktur mit mindestens 20% offenen Poren, besteht.

14. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden zusätzlich eine ultradünne Kohlenstoffablagerungsverhinderungsschicht auf der Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit aufweist.

15. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffablagerungsverhinderungsschicht (18) Gold, Aluminium, Bronze, Platin, Titannitrid, Titanaluminid und/oder Kupferoxid aufweist, wobei die Kohlenstoffablagerungsverhinderungsbeschichtung (25) eine Dicke im Bereich von 100 Ångström bis 10 Mikron aufweist.

16. Verfahren zur thermischen Steuerung der Wärme einer Brennkraftmaschine, wobei die Maschine Brennkammerwände zur Verbrennung einer gasförmigen Mischung von Luft und Treibstoff, einen Kühlmantel zum Kühlen der Wände und einen entlang eines Teiles der Wände bewegbaren Kolben (29) aufweist, gekennzeichnet durch:

(a) Erhöhen des Kompressionsverhältnisses des Motors, so daß Klopfen bei in einer nicht mit Wärmeleitbeschichtung niedriger Wärmeleitfähigkeit vorbereiteten Brennkammer hergerufen würde;
(b) Beschichtung mindestens des Kolbenbodens und der Brennkammerwände mit einer Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit, die als Wärmediode den Wärmetransport in beiden Richtungen normal zur Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit einschränkt;
(c) Betreiben des Motors (10) mit der Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit auf der Brennkammerwand bei erhöhtem Kompressionsverhältnis, wobei neuen Chargen brennbarer Mischung niedrigerer Temperatur und volumetrischer Effizienz in die Brennkammer eingesaugt werden und weniger Verbrennungswärme an den Kühlmantel verschwendet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompressionsverhältnis bei einem Motor (10) mit etwa 2,4 bis 4,0 Liter Hubraum von 8 : 1 auf 10 : 1 erhöht wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur einer neu angesaugten Mischung um etwa xxxx30° Fahrenheit gegenüber der Umgebungs-Motorraumtemperatur, dadurch erhöht wird, daß sie der Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit des Kolbens (29) ausgesetzt wird, wodurch eingeschränkt gespeicherte Wärme aus einem vorhergehenden Kolbenbetriebszyklus an die neue Charge abgegeben wird.

19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Minimaldicke (17) der Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit bestimmt wird, die zur Erfüllung der Gleichung notwendig ist:

20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (b) die Wärmeleitbeschichtung (18) niedriger Wärmeleitfähigkeit ferner durch eine Ablagerungsverhinderungsbeschichtung geschützt wird, die darauf in einer Dicke von 100 Ångström bis 10 Mikron abgeschieden wird.

21. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (b) der Kolben (29) ferner so hergestellt wird, daß er eine vergrößerte Wärmesenke-Fähigkeit aufgrund des Einsatzes mindestens einer der nachfolgenden Maßnahmen aufweist

(i) einer thermisch leitfähigen Abrasivbeschichtung der obersten Erhebung des Kolbens, um Wärme zum Motorblock zu übertragen und/oder
(ii) ein Ölspritzsystem zum Bespritzen der Kolbeninnenoberflächen mit Öl, um Wärme wirksam an das Ölkühlsystem des Motors zu übertragen.