DE19524015C2

DE19524015C2 - Verbrennungsmotor mit mindestens einer Kolben/Brennkammeranordnung

Info

Publication number: DE19524015C2
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: 2001-02-22
Anticipated expiration: 2015-07-01
Also published as: GB9516811D0; DE19524015A1; JPH08100659A; GB2293863B; CA2159232A1; US5477820A; GB2293863A

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit mindestens einer Kolben/Brenn kammeranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Erfindung bezieht sich also auf die Auslegung und Herstellung von Kolben und entsprechend angepaßte Verbrennungsmotorenkomponenten-Oberflächen für mit fossilen Brennstoffen betriebene Verbrennungsmotoren, wobei diese Oberflächen die Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie und aus dem Verbrennungsprozeß resultierende Emissionen beeinflussen; insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Oberflächen von Brennraum und Aufladekammern, eingeschlossen Kolbenauslegungen und Materialien, die

a) Wärme selektiv speichern und abgeben können;
b) die Oberflächentemperatur des Kolbens und Komponenten steuern oder begrenzen, oder
c) die thermische Expansion von Komponenten (hauptsächlich Kolben), in einer Brennkraftmaschine steuern oder verhindern;

in Wärmekraftmaschinen, wie die in den heutigen Kraftfahrzeugen verwendeten Verbrennungsmotoren (benzin- oder dieselbetriebenen), wird ein Teil der Wärme der Verbrennungsgase über einen thermischen Weg abgegeben, der durch den Kolben (üblicher-Weise in Benzinmotoren aus Aluminiumlegierung hergestellt) 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 Motorwirkungsgrad. 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 gespeicherten Wärme wird an die Brennstoff/Luftcharge während des Ansaug- und Kompressionshubs (bspw. bei einem Viertaktmotor) abgegeben. Dies ist insbesondere beim Betrieb eines mit Zündfunken gezündeten Benzinmotors nachteilig, dessen Kompressionsverhältnis durch die Klopfzahl bestimmt wird. Daher wird das Kompressionsverhältnis so ausgewählt, daß ein Klopfen des Verbrennungsmotors durch Selbstzündung vermieden wird. Je höher das durch die Selbstzündung begrenzte Kompressionsverhältnis ist, je höher werden Motorenergie und Motoreffizienz. Daher entspricht jede Reduktion des Kompressionsverhältnisses um einen Punkt aufgrund derartiger Einschränkungen durch die Auslegung des Motors einer entsprechenden Reduktion der Kraftstoffeffizienz 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 verdichtetes Gas über das Klopftemperaturlimit erhitzt.

Es ist daher anzustreben, möglichst viel Verbrennungswärme für die Ausübung mechanischer Arbeit während des Verbrennungs/Expansionshubs zum Antrieb der Maschine zu erhalten. 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 Verbrennungsmotors verbessert 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 verbessern. Bei einem Dieselmotor wird nach Anwärmen des Motors die Dichte der angesaugten Luftcharge wichtiger. Im Gegensatz zum mittels eines Zündfunken gezündeten Verbrennungsmotors ist es aufgrund des verkürzten Zeitraums bis zur Selbstzündung um so besser für den Motorbetrieb, je wärmer die Charge nach Schließen des Ansaugventils ist, wodurch die Verbrennung im Verbrennungsmotor verbessert wird. Es ist auch erwünscht, die thermischen Expansionseigenschaften des Kolbenkörpers in der Umgebung des Kolbenboden zu steuern, wenn derartige thermische Bedingungen gesteuert werden sollen.

Versuche des Standes der Technik, den Wärmefluß durch die Kolben thermisch zu steuern, waren auf die Verwendung bestimmter Typen thermischer Barrieren begrenzt (Teflon in US-2817562; Nickelmetall in US-5158,052; und Chromoxid in US-4,735,128). Derartige thermische Barrieren reichen nicht aus, Wärme richtig zu steuern, da sie unannehmbar dick sein müssen, wodurch die volumetrische Effizienz negativ beeinflußt wird (d. h. daß zuviel gespeicherte Wärme in die angesaugte Charge fließen kann); es wurde keinerlei Vorkehrung getroffen, die gespeicherte Wärme der Brennraumoberflächen unabhängig von der Abrasion an der Charge abzuleiten.

Aus der DE 34 01 433 A1 ist es bekannt, yttriumoxidstabilisiertes ZrO₂ als isolierendes Material bzw. Sperrschicht auf Brennkammerwände aufzubringen, wobei auf diese Schicht nachträglich Chromoxid abgeschieden wird.

Die EP 0352058 A2 beschreibt über CVD aufgebrachte dünne Schichten SiN oder SiC, die auf einer Stützschicht aus Al₂TiO₃, K₂TiO₃ oder Na₂TiO₃ aufgebracht sind, als zweischichtige Wärmeleitbeschichtung. Aus der WO 89/03930 A1 ist eine thermisch isolierende, sehr dünne Materialschicht aus CrC, HfC, TaC, NiN, CrN, HfN, TaN, TiN, Cr₂O₃, HfO₂, Nb₂O₃, Ta₂O₅ und TiO₂ bekannt. Diese dünnen Schichten haben keine geeignete Wärmekapazität. Das DE-90 10 077 U1 schlägt vor, die zylinderkopfseitigen Brennkammeroberflächen mindestens teil Weise mit einer hochtemperaturbeständigen und wärmereflektierenden Metall- oder Metalllegierungsschicht mit katalytischer Wirkung für den Verbrennungsvorgang zu versehen. Es handelt sich dabei nicht um thermische Dioden, sondern um Katalysatoren.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Verbrennungsmotorkonstruktion zu schaffen, die eine derartige Wärmebehandlung ermöglicht, so daß eine oder mehrere der nachfolgenden Wirkungen erreicht wird bzw. werden:

a) Steuerung und Management des Wärmeübergangs, um die an die Motorkühlsysteme verschwendete Wärme zu verringern;
b) Hatten der mittleren Temperatur der Motorkomponeten auf einem niedrigen Niveau, und
c) Verhindern, daß die abgespeicherte Wärme die Gasmischungscharge während des Ansaugens und der Kompression unerwünscht erhitzt.

Eine derartige Wärmesteuerung führt zu größerer volumetrischer Leistung des Verbrennungsmotorens, Emissionsreduktion und Steigerung der Motorleistung, während bei Benzinmotoren ein höheres Kompressionsverhältnis ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Verbrennungsmotor mit mindestens einer Kolben/Brennkammeranordnung mit einer Gasverbrennungszone, mit den Merkmaien des Patentanspruches 1.

Dies bedeutet, daß die Beschichtung den Wärmefluß in das Motorkühlmittel während der Verbrennung begrenzt, während ein begrenzter Wärmetransfer während der Ausdehnungs- und Ausstoß-Hübe des Kolbens ermöglicht wird; die Beschichtung begrenzt oder hindert die gespeicherte Wärme daran, in die neue Charge brennbaren Materials während des Ansaug- und Kompressionshubes zu fließen. Da die Wärmeleitzahl umgekehrt proportional der Dichte und der spezifischen Wärmekapazität des Beschichtungsmaterials ist, muß das Material unter Berücksichtung von mehr, als nur der thermischen Leitfähigkeit, die allein charakteristisch für fast alle Auswahlverfahren nach dem Stand der Technik war, ausgewählt werden. Die Dicke der Diodenschicht niedriger Wärmeleitfähigkeit ist wichtig, da sie gering sein muß, während sie gleichzeitig ausreichend Masse aufweisen muß, um ein geeignetes Wärmetransportverhalten sicherzustellen.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit dessen Hilfe die thermische Behandlung von durch einen Verbrennungsmotor produzierter Wärme, um so die Energie- und Treibstoffökonomie zu verbessern, ermöglicht wird.

Um eine verbesserte volumetrische Effizienz zu erhalten, können zusätzlich die Ansaug-(und Abgas-)Krümmerwände so ausgelegt werden, daß sie Doppelwände (Luftspaltisolierte Konstruktionen) aufweisen, um Erwärmung der neuen Charge bei ihrer Bewegung vom Luftansaugteil in den Motor durch die Ansaugöffnung zu verhindern. Die Doppelwandkonstruktion zeigt eine sehr dünne Innenwand 0,0381-0,762 cm aus rostfreiem Stahl mit sehr niedriger thermischer Leitfähigkeit. Dies hindert nicht nur Motorwärme daran, in die Charge zu fließen, sondern reduziert auch die Treibstoffkondensation während eines Kaltstarts.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert, auf die diese allerdings keinesfalls 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 erfindungsgemäße Beschichtung, das Metallsubstrat, eine flüssige Schicht Kühlmittel und das flüssige Kühlmittel selbst;

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

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

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 Viertaktmotors, die die Wärmeflußbegrenzung als Resultat der Beschichtungen unter Erzielung eines höheren Kompressionsverhältnisses zeigt.

Ohne Wärmeleitbeschichtungen auf dem Kolben und Brennraumwänden und ohne Verwendung von Doppelwandkonstruktionen der Ansaug- und Abgaskrümmer wird ein signifikanter Teil der Verbrennungswärme eines durch Zündfunken gezündeten Motors während der Expansions- und Ausstoßhübe auf den Boden eines Aluminiumkolbens und den Zylinderkopf geleitet. Der heißere Kolben 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 erstreckenden 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. Die durch den Kolbenkörper, insbesondere die Bodenoberfläche eines unbeschichteten Kolbens, absorbierte Wärme wird durch die Kolbenmasse aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit des Kolbenmetalls, wie Aluminium, geleitet. Daher wird der Kolben heißer und schwächer. Die heißeren Kolben- und Brennraumoberflächen beeinflussen in negativer Weise die Temperatur der ankommenden, in den Brennraum eingesaugten Ölmischung während der Ansaug- und Kompressionshübe; die Ansaugluft/Treibstoffmischung wird eine relativ höhere Temperatur am Ende des Ansaughubes, verglichen mit dem Anfang annehmen, wodurch die volumetrische Effizienz verringert wird. Der Motorkonstrukteur wird das Kompressionsverhältnis der gezündeten Motoren so einstellen, daß Klopfen vermieden wird. Beispielsweise muß die Verbrennungsgastemperatur am Ende des Kompressionshubes so eingestellt werden, daß sie unter Begrenzung des Kompressionsverhältnisses niedrig genug ist, um Selbstzündung zu vermeiden. Die Wärme auf der Oberfläche des Kolbenbodens wird die brennbare Mischung im Brennraum selbst zünden, falls er die eingestellte Temperatur der Abrasiv-Schicht um 16,7-22,33°C 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 Zylinderbohrungswand 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 Zylinderbohrungswand zu ertragen. Bei Teillastbedingungen eines Motors wird das Spiel zwischen Aluminiumkolben und Bohrung daher aufgrund der niedrigen Temperatur und dementsprechend niedrigeren thermischen Ausdehnung des Kolbens größer sein. Dies vergrößert signifikant das Hohlraumvolumen zwischen Kolben und Bohrungswand, wodurch Emissionen mit hohem Kohlenstoffgehalt steigen als auch Gas durch die Kolbenringe und Boden austritt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, verwendet die Erfindung Wärmesteuerschichten oder - mehrfachschichten, um die volumetrische Effizienz der Wärmekraftmaschine (10) zu verbessern, Selbstzündung bei höheren Kompressionsverhältnissen bei gezündeten Motoren und Abgasemissionen zu reduzieren, als auch dazu, Verunreinigungen der Brennraumoberfläche 12 über die Lebensdauer der Wärmekraftmaschine zu verhindern. Zunächst wird eine Schicht 13 niedriger thermischer Leitfähigkeit (niedriges α), die als thermische Diode wirkt, auf den Kolbenboden und die Brennraumoberflächen 15 im Zylinderkopf aufgebracht (siehe Fig. 2 mit den Ventilkopfoberflächen 16). Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Ausdruck für das Verhältnis der thermischen Leitfähigkeit (W/m . °K) zum Vielfachen der Dichte (kg/m³) und der massenspezifischen Wärmekapazität (Joule/kg . °K). 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 (US-Norm) 51 . 10^-6, und Titanlegierung 62 . 10^-6 metrische Einheiten. Zum Einsatz als Diode für den erfindungsgemäßen Zweck, muß die Schicht

a) eine relativ niedrige thermische Leitfähigkeit
b) eine vorherbestimmte erwünschte Menge Wärmekalorien aufnehmen können, um die Wärmeleitung in einer Richtung, die zur Kühlung verschleudert würde, zu begrenzen, und
c) 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 Kolbenboden kälter, da der Wärmefluß die Metallkomponenten heizt, aber nicht der Wärmefluß aus den Komponenten zu einem Kühlmittel gehindert wird. Die Diodenschicht erniedrigt im wesentlichen den Wärmeübergang auf das Kühlsystem stark oder begrenzt ihn, wobei die gespeicherte Wärmemenge so eingeschränkt 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 beschrieben werden wird. Die Diodenschicht wird in einem gezündeten Benzinmotor typischerweise eine stabile Temperatur von etwa 191°C (375°F) erreichen, wodurch der Kolbenboden unter 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 (100°F) beträgt.

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

Die nachfolgende Tabelle erläutert spezifische Wärmeleitzahlen für jedes der vorge nannten 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 Betriebsbereich 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 Wärmeleitzahl liegt aher im Bereich von nahe Null bis 62 . 10^-6.

Die Dicke 17 einer derartigen Beschichtung niedriger Wärmeleitfähigkeit 13 ist kritisch für ihre Funktion als thermische 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 verdeutlicht werden, daß er thermisch aus einem Weg durch eine Gasgrenzschicht 19 besteht, die direkt angrenzend an das massive Metall 20 (oder der Wärmeleitschicht niedriger thermischer Leitfähigkeit 13 gemäß der Erfindung), durch die Dicke des massiven Metalls und danach durch eine dünne Grenzschicht 21 aus Luft oder Wasser als Kühlmittel 22 (dient zur Aufnahme der übertragenen Wärme und Abgabe an die Atmosphäre) verläuft. Es besteht ein thermischer Gradient durch jede Schicht 19, 20 und 21, wobei der größte, aber kürzeste Gradient in den Schichten 19 und 21 auftritt. Ähnliche Wärmeverlust-Physik tritt durch die oberen Ränder 23 der Zylinderwände auf, wobei ein derartiger Wärmeverlust zusätzlich durch das Öl beeinflußt wird, das aus dem Motorkurbelwellengehäuse hochspritzt. Die optimale Dicke der Beschichtung für die verschiedenen Materialien ist durch experimentelle Daten auf 0,77 mm für Thoriumoxid; 0,80 mm für Titan-Aluminid und 0,85 mm für rostfreien Stahl 316 (US-Norm) bestimmt worden.

Die Beschichtung wird bevorzugt aufgebracht, indem zunächst die Kolbenbodenoberfläche 14 und andere Brennraumoberflächen 15 sowie die Ventilkopfoberfläche 16 gesäubert und verunreinigungsfrei vorbereitet werden; als nächstes wird das Diodenbeschichtungsmaterial auf derart gereinigte Oberflächen bspw. durch Plasma-/thermisches Spritzen auf den Kolbenboden und andere Brennraumoberflächen, aufgebracht. Das Wärmeleitfähigkeitsmaterial kann in Pulverform aufgebracht werden, das in Plasma injiziert wird oder als Lösung in einem Lösungsmittel zum Aufspritzen bei Umgebungstemperatur. Die plasmagespritzte Beschichtung sollte eine Haftkraft am Kolben von oberhalb 13,7895 MPa, bevorzugt oberhalb 41,368 MPa, sowie eine Porosität von 3 bis 5% besitzen. Falls Aufsprühen mit Lösungsmitteln eingesetzt wird, wird das Lösungsmittel vor dem Aufsprühen mit geeigneten Feststoffen, wie Titanaluminiumlegierung oder rostfreiem Stahl als auch mit einem geeigneten Bindemittel, wie Hochtemperaturpolyimid-Amid, gefüllt. Nach Beendigung des Spritzens mit Lösungsmittel haftet die Mischung am Substrat und das Lösungsmittel verdampft. Falls der Kolbenboden 14 eine abgeflachte Oberfläche 14a besitzt, folgt die Schicht 13 den Konturen dieser zentralen Abflachung (siehe Fig. 2 und 5). Um eine derartige Anpassung zu ermöglichen, ist die Partikelgröße des eingesetzten Pulvermaterials beim Abscheiden im Bereich von 85-30 µm, bevorzugt 60-45 µm.

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 Abbrieb und Fressen des Zylinders dann, wenn sie zwischen die Kolbenringe geraten, hervorrufen. In ähnlicher Weise kann die thermische Diodenoberfläche 13 auf einer derartigen Oberfläche auch durch derartige Ablagerungen verunreinigt werden. Um das Kleben derartiger Verunreinigungen an der Kolbenbodenoberfläche und derartige Ablagerungen durch Kondensation auf der Beschichtung zu hindern, wird ein ultradünner Überzug 25 (siehe Fig. 5) hochinerten Materials auf die Wärmeleitschicht 13 aufgebracht. Eine derartige Ablagerungsverhinderungsschicht 25 sollte aus einem Material bestehen, das bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Gold, Aluminiumbronze, Platin, Titannitrid, Siliziumnitrid, Nickelaluminid und Titanaluminid. Die Ablagerungsverhinderungsschicht 25 sollte in einer Dicke bevorzugt im Bereich von 100 Angström bis 5 µm aufgebracht werden. Die sehr dünne Schicht wird nicht mit dem thermischen Diodeneffekt der Beschichtung, auf die sie aufgebracht wird, interferieren. Die Ablagerungsverhinderungsschicht muß offensichtlich bei extrem hohen Temperaturen, wie oberhalb 648,89°C (1200°F) stabil sein.

Obwohl die thermische Diodenschicht 13 den Wärmefluß zum Kolbenkörper 27, zur kalorischen Kapazität der Beschichtung, begrenzt (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 Zylinderbohrungswand 31 zu erfahren, wobei die Bohrungswand 31 aus dem gleichen 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 gegossen 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 Ausdehnungskoeffizienten, wie Cordierit, oder β- Spodumena, aufweisen; andere Materialien können eingesetzt werden, wenn sie ausreichende Verträglichkeit mit dem Aluminium besitzen, sowie niedrige thermische Expansion und niedriges Gewicht. Bevorzugt wird der Einsatz eines Metallmatrixkompositwerkstoffes aus Aluminiumpulver und Fasern niedriger thermischer Expansion 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 Wabenmatrix hergestellt sein. Der Einsatz sollte vor Ort eingegossen werden, indem der Einsatz auf etwa 40% der Temperatur geschmolzenen Aluminiums erhitzt wird, damit dieses darum herum gegossen werden kann. Der Einsatz wird reduzierte thermische Ausdehnung bei Temperaturextrema, die durch Motordrehzahländerungen hervorgerufen werden, schaffen.

Mit der differentiellen thermischen Expansionssteuerung kann die oberste kreisförmige Erhebung 28 des Kolbens 29 eine enganliegende, thermisch leitfähige Abrasiv-Schicht 30 aufweisen, die einen längeren thermischen Weg vom Kolben 29 zur Zylinderbohrungswand 31 des Motorblocks 32 schafft. Dadurch kann der Kolben 21

a) niedrigere Temperatur beibehalten und
b) 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 bevorzugt etwas größer als jedes Spiel zwischen der kreisförmigen Erhebung 28 und der Zylinderbohrungswand 31 ist, so daß sich die Abrasiv-Schicht 30 während des Anfangs-Motorbetriebes abnutzt und auf eine glatte Oberfläche poliert, entsprechend dem Ring der Zylinderbohrungswand 31 mit im wesentlichen 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. Unter "Abrasiv-Schicht 30" werden hierbei keine 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 Schichtmatrix erreicht; Kupferflocken sind das bevorzugte Medium. Bei im wesentlichen Null Spiel kann der Kolben in der Zylinderbohrungswand 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 µm werden darf (beispielsweise bis zu 10-15 µm), sollte die Abrasiv-Schicht einen notwendigen Gehalt an Festfilm Schmierstoffen enthalten. Derartige feste Schmierstoffe werden so definiert, daß sie Material aufweisen, das einen Reibungskoeffizient nicht über 0,06 bei 204,44-371.11°C (400-700°F) hat und bei den Temperaturen thermisch stabil ist. Eine Schicht, die diese Kriterien erfüllt, umfaßt bevorzugt eine Mischung von mindestens zwei Elementen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Graphit, Molybdändisulfid und Bornitrid; die Mischung wird in einer Polymeremulsion zur Ablagerung aufgebracht, wobei das Polymer (Polyamid oder ein thermisch aushärtendes Epoxiharz) die Filmbeschichtung auf der Oberfläche der Erhebung befestigt. Um die differenzielle thermische Expansion weiter zu steuern kann das Kolbeninnere 29a mit Öl aus dem Kurbelwellensumpf 37 besprüht werden. Das Öl kann aus dem Sumpf 37 abgezogen und gepumpt werden und die Pleuelstange 38 herauf befördert werden und danach durch radiale Öffnungen 39 im kleineren Ende 38a der Pleuelstange 38 aufgespritzt werden, um die Innenoberfläche 29a des Kolbens 29 zu bedecken. Eine derartige Ölspritzkühlung der Unterseite 29a des Kolbens und eine Tauchkühlung der Zylinderwand 34 wird das Kolben/Zylinderbohrungsspiel 40 im erwünschten Bereich halten, der bevorzugt im wesentlichen Null ist. Falls die Ölspritzkühlung versagt, würde entsprechendes Überhitzen des Kolbenbodens und seine Vergrößerung normalerweise zum Ausfall des Motors führen; die Abrasiv-Schicht 30 verhindert jedoch katastrophale Folgen.

Um die Wirksamkeit der Ölkühlung des Kolbens und der Zylinderwand zu verbessern, sollte der Ölkreislauf für die Kolbenkühlung von andern Ölkühlaufgaben getrennt sein, wie für die Kurbelweile 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 Haupthorizontalrückleitung 44 führt. Die nach unten führenden Leitungen 45, 46, 47, 48 (von den vier Stationen entlang der Hauptrückleitung 44) liefern Öl entsprechend zu den Kurbelwellenlagern 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 der Auslässen 53 und 54 durch nicht gezeigte Leitungen. Um eine zusätzliche Kühlung des zur Ventilanordnung im Kreis geführten Öls zu ermöglichen, wird ein Zweitkühler 62 eingesetzt, der sich in einer Leitung 64 befindet, 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 Steilen. Der zweite Ölkühler 62 sollte Öl auf einer Maximaltemperatur von etwa 71,11°C (160°F) halten. Eine derart reduzierte Temperatur erleichtert die Erniedrigung der Gesamttemperatur der Motorköpfe und begrenzt dadurch die Wärme, die auf die angesaugte Charge von den Ansaugöffnungen und dem Ansaugkrümmer 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 Zylinderwände 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 dargestellt, die Öl nach oben in das Kolbeninnere führt. Wie insbesondere in Fig. 1 gezeigt, kann Öl zum Inneren des Kolbens durch die Pleuelstange 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 Leitungen mit komplementären Pumpen versorgen die Kolben auf der anderen Seite des Motors. 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, gespritzt. Das Öl für diesen Kreislauf 80 sollte von niederer Viskosität sein, wie von 3 bis 5 Cp. bei 40°C (gegenüber 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 niedrigere Reibung und leichtes Pumpen bei sehr niedrigen Temperaturen zu erleichtern.

Durch den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ist ein Wärmemanagement der durch diesen Verbrennungsmotor mit mehr als einem sich entlang einer Wand bewegenden Kolben generierten Wärme möglich, wobei ein derartiger Motor einen Brennraum zur Verbrennung einer gasförmigen Mischung von Luft und Treibstoff, sowie einen Kühlmantel zum Kühlen dieser Wand aufweist. 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 erhöht 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 Charge vor der Verbrennung zu erwärmen.

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

Daher befindet sich, wie in Fig. 8 gezeigt, der beschichtete 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) findet 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 begrenzte thermische Leitfähigkeit der Schicht begrenzt ist. Eine der artige Charge wird ihre Temperatur um etwa 11,11°C (20°F) während des Ansaugens 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) bei einem Hubraum von etwa 3,0 l ohne zu befürchten, 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 Kompressionshubes aufgrund ihrer niedrigen Wärmeleitfähigkeit. Die Zündung erfolgt (Stufe 5) und während der Expansion wird Drosselwärme auf den Kolben und die Bohrungswände übertragen, wobei dies als Resultat der Anwesenheit der Schicht niedriger Wärmeleitfähigkeit erfolgt, was der Reservierung einer größeren Menge Verbrennungswärme zur Umwandlung in Arbeit während eines derartigen Leistungshubes dient.

Bezugszeichenliste

10

Wärmekraftmaschine

11

12

Brennraumoberfläche

13

thermische Dioden-Oberfläche

14

Kolbenbodenoberfläche

14

a abgeflachte Oberfläche von

14

15

Brennkammeroberflächen

16

Ventilkopfoberflächen

17

Dicke einer Schicht niedriger Wärmeleitfähigkeit

18

Gasmischung

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

29

a Innenoberfläche des Kolbens

29

b 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

38

a kleines Ende der Pleuelstange

39

radiale Öffnung im kleinen Ende

38

a

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. Verbrennungsmotor mit mindestens einer Kolben/Brennkammeranordnung mit einer Gasverbrennungszone, mit:

a) einem Kolbenkörper (27) mit einem Kolbenboden an der Gasverbrennungszone;
b) mit dem Kolben (29) die Gasverbrennungszone einschließenden Brennkammer oberflächen,
c) einer Wärmeleitbeschichtung (13) niedriger Wärmeleitfähigkeit auf dem Kolben boden und den Brennkammeroberflächen

dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Wärmeleitbeschichtung (13) im Bereich von 0,5 bis 1,8 mm liegt und die Wärmeleitbeschichtung (13) Thoriumoxid, Titanaluminiumlegierung oder rostfreien Stahl mit 22 Gew.-% Cr aufweist.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme leitbeschichtung (13) niedriger Wärmeleitfähigkeit eine Wärmeleitzahl, definiert als:
im Bereich von nahe 0 bis 70 metrische Einheiten (entsprechend 93 für Aluminium kolben) aufweist.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitbeschichtung (13) niedriger Wärmeleitfähigkeit aus Thoriumoxid mit einer Dicke (17) von etwa 0,7 mm besteht.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wär meleitbeschichtung (13) niedriger Wärmeleitfähigkeit aus Titanaluminiumlegierung mit einer Dicke (17) von etwa 0,8 mm besteht.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitbeschichtung (13) niedriger Wärmeleitfähigkeit aus rostfreiem Stahl mit 22 Gew.-% Chrom besteht und eine Dicke (17) von etwa 0,85 mm aufweist.

6. Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (10) eine vergrößerte Wärmesenke aufweist, um die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeleitbeschichtung (13) niedriger Wärmeleitfähigkeit und dem Boden oder den Kammeroberflächen zu verringern.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vergrößerte Wärmesenke einen gekühlten Motorblock und Zylinderkopf aus Aluminiumlegierung sowie eine thermisch leitfähige Abrasiv-Gleitbeschichtung (30) auf mindestens einigen Bereichen der Kolbenseitenwände beinhaltet, um einen guten Wärmetransport zum gekühlten Motorblock und Zylinderkopf herzustellen.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 6 oder 7, 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.

9. Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß der Kolbenkörper (27) einen Einsatz (26) aufweist, der neben und entlang der Wärmeleitbeschichtung (13) niedriger Wärmeleitfähigkeit ange bracht ist, der aus einem Material niedriger thermischer Expansion sowie hoher thermischer Leitfähigkeit besteht.

10. Verbrennungsmoor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (26) eine Dicke von etwa 1-4 mm aufweist und aus einem Metallmatrixkompo sitwerkstoff aus Aluminiumpulver und mindestens einer der nachfolgenden Gruppe von Verbindungen, bestehend aus Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Aluminiumoxid fasern, die in Richtung des zu erwartenden thermischen Wachstums orientiert sind, oder aus geformtem Kohlenstoffgraphit auf einer Graphitmatrixwabenstruktur mit mindestens 20% offenen Poren, besteht.

11. Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden zusätzlich eine ultradünne Kohlenstoffablagerungsverhinderungsschicht (25) auf der Wärmeleitbeschichtung (13) niedriger Wärmeleitfähigkeit aufweist.

12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ultradünne Kohlenstoffablagerungsverhinderungsschicht (25) Gold, Aluminium, Bronze, Platin, Titannitrid, Titanaluminid und/oder Kupferoxid aufweist, wobei die ultradünne Kohlenstoffablagerungsverhinderungschicht (25) eine Dicke im Bereich von 100 Angström bis 10 µm aufweist.

13. Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (10) eine Luftspaltisolation, um den Wämeübergang vom Verbrennungsmotor (10) auf die Charge, bevor diese die Brennzone erreicht, zu verringern, aufweist.

14. Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompressionsverhältnis des Verbrennungsmotors (10) so gewählt ist, daß Klopfen bei in einer nicht mit Wärmeleitbeschichtung niedriger Wärmeleitfähigkeit vorbereiteten Brennkammer hergerufen würde.

15. Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompressionsverhältnis bei einem Verbrennungsmotor (10) mit etwa 2,4 bis 4,0 Liter Hubraum von 8 : 1 auf 10 : 1 erhöht ist.