DE2919743A1 - Combustion chamber for IC engines - contains metal foil coated with ceramic carrying noble metal catalyst to eliminate noxious constituents in engine exhaust gas - Google Patents

Combustion chamber for IC engines - contains metal foil coated with ceramic carrying noble metal catalyst to eliminate noxious constituents in engine exhaust gas

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Abstract

Fixed to the combustion chamber walls is a corrugated foil made of heat resistant metal and coated with a ceramic layer forming a support for a catalyst layer to which the gases in the chamber are exposed. Foil is pref. fixed to walls by a ceramic adhesive; and the foil is pref. perforated. Layer pref. consists of noble metals of the Pt gp., where 10 pts. Pt are used with 1-3 pts. Rh and 0.5-3 pts. Ir. The pref. chamber is a swirl chamber connected by holes in a plug to a main combustion chamber. The plug is made of heat resistant metal or ceramic, and its holes are coated with a catalyst. Used to eliminate harmful gases, esp. CO, NOx and hydrocarbons, from engine exhaust gas discharged into the environment.

Description

VOLKSWAGE NWE R KVOLKSWAGE NWE R K AKTIENGESELLSCHAFTSHARED COMPANY

3180 Wolfsburg3180 Wolfsburg

TJhsere Zeichen: K 2720
1702pt-ye-jäIts symbol: K 2720
1702pt-ye-jä

Brennraum für BrennkraftmaschinenCombustion chamber for internal combustion engines

!Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennraum für Brennkraftmaschinen, dessen Wände mit einer katalytisch wirksamen Schida t ausgekleidet sind.The invention relates to a combustion chamber for internal combustion engines, the walls of which with a catalytically active Schida t are lined.

TJm die bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Brennräumen von Brennkraftmaschinen entstehenden und die TJiawelt belastenden Schadstoffe, wie vor allem Kohlenmonoxyd, Kohlenwasserstoffe und Stickoxyd, zu beseitigen, ist es bereits bekannt, 'die Wände der Brennräume mit katalytisch wirksamen Materialen zu beschichten (BE-OS 2 033 032).TJm which arise during the combustion of a fuel-air mixture in the combustion chambers of internal combustion engines and which TJiawelt polluting pollutants, such as especially carbon monoxide, hydrocarbons and nitrogen oxide, it is already known to 'cover the walls of the combustion chambers with catalytically active materials coat (BE-OS 2 033 032).

Die.der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist daher darin zu sehen, einen Brennraum für eine derartige Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem die Voraussetzungen für eine vollständige und schadstoffreie Verbrennung möglichst gut sind, indem die mit ka talytisch wirksamem Katarial beschichtete Oberfläche sowohl im makroskopischen als auch im mikroskopischen Bereich möglichst groß ist. Außerdem soll die Herstellung solcher beschichteter Oberflächen auf einfache und wenig aufwendige Weise erfolgen.The object underlying the invention is therefore to create a combustion chamber for such an internal combustion engine in which the conditions for complete and pollution-free combustion are as good as possible, by the surface coated with catalytically active cataract both in the macroscopic as well as in the microscopic area is as large as possible. In addition, such coated surfaces should be produced in a simple and inexpensive manner.

03 0048/013703 0048/0137

Vorsitzender Vorstand: Toni Schmucker, Vorsitzender - Prof. Dr. tadln. Emil Fiale ■ Dr. jur. Peter Frerk ■ CUnMr HortwichChairman of the Board of Directors: Toni Schmucker, Chairman - Prof. Dr. blame. Emil Fiale ■ Dr. jur. Peter Frerk ■ CUnMr Hortwich

dM AafskMmrt's: Horn Münzner · Dr. rar. pol Werner P. Schmidt · Gottlieb M. SUobl · Pro!. Dr. rer. pol. Friedrich Thorn·»dM AafskMmrt's: Horn Münzner Dr. rar. pol Werner P. Schmidt · Gottlieb M. SUobl · Pro !. Dr. rer. pole. Friedrich Thorn · »

Hses ΒιπΟβαη - Sitz dar GaMlltchaH: Wotftbarg ■ Arntigarlcht Wolftburg HRBHses ΒιπΟβαη - seat of the GaMlltchaH: Wotftbarg ■ Arntigarlcht Wolftburg HRB

Sie Lösung dieser Aufgabe !besteht gemäß der Erfindung darin, daß als Träger für die katalytisch wirksame Schicht eine an den Brennraumwänden befestigte gewellte Folie aus einem hochtemperatur fest en Metall vorgesehen ist, die mit einer keramischen Zwischenschicht bedeckt ist. Hit Vorzug soll die gewellte Metallfolie gelocht und mit einem keramischen Kleber an den Brennraumwänden befestigt sein. !Durch die Erfindung wird eine■sichere und wirkungsvolle Aufbringung einer katalytisch wirksamen Schicht an den Wänden des Brennraums einer Brennkraftmaschine erreicht, wobei durch die Wellung und Lochung des Met allträgers eine Oberflächenvergrößerung im makroskopischen Bereich und durch die Auftragung der keramischen Zwischenschicht eine solche im mikroskopischen Bereich er-1 reicht. Biese keramische Zwischenschicht (Washcode), die vorzugsweise aus AlpO, mit V -Struktur besteht, zeichnet sich durch einen hohen elektrischen Widerstand aus und sorgt für eine auch über lange Betriebszeiten. sichere Grundlage für die beispielsweise durch Aufdampfen aufgebrachte Katalysatorschicht» Diese Katalysatorschicht kann bevorzugt aus Edelmetallen der Platingruppe bestehen, wobei gemäß einem Vorschlag der Erfindung auf 10 feile Platin 1 bis 3 Teile Bhodium und 0,5 bis 3 Teile Iridium zugesetzt sind. Durch das Zusetzen dieser verhältnismäßig großen Mengen an Bhodium und vor allem Iridium wird eine besonders günstige Wirkung bei der Verhinderung des Entstehens bzw. bei der Reduktion von Stickoxyden, selbst noch bei Sauerstoffüberschuß in den Brennräumen, erzielt. Selbstverständlich können anstelle von Edelmetallkatalysatoren auch solche aus unedlen Metallen oder aus seltenen Erden verwendet werden.According to the invention, the solution to this problem consists in providing a corrugated sheet of high-temperature-resistant metal which is attached to the combustion chamber walls and is covered with a ceramic intermediate layer as a support for the catalytically active layer. As a preference, the corrugated metal foil should be perforated and attached to the combustion chamber walls with a ceramic adhesive. The invention achieves a safe and effective application of a catalytically active layer on the walls of the combustion chamber of an internal combustion engine, with the corrugation and perforation of the metal carrier increasing the surface area in the macroscopic area and the application of the ceramic intermediate layer increasing the surface area in the microscopic area reached 1 . This ceramic intermediate layer (wash code), which is preferably made of AlpO with a V structure, is characterized by a high electrical resistance and ensures a long operating time. secure basis for the catalyst layer applied, for example, by vapor deposition »This catalyst layer can preferably consist of noble metals of the platinum group, with 1 to 3 parts of bhodium and 0.5 to 3 parts of iridium being added to 10 filing platinum. By adding these relatively large amounts of bhodium and especially iridium, a particularly beneficial effect is achieved in preventing the formation or in reducing nitrogen oxides, even if there is an excess of oxygen in the combustion chambers. Of course, catalysts made from base metals or from rare earths can also be used instead of noble metal catalysts.

Bei einem Brennraum, der aus einem Eauptbrennraum und einem mit diesem verbundenen Sebenbrennraum besteht, sieht die Erfindung vor, daß die Verbindung nicht durch einen einzigen, im Querschnitt relativ großen Verbindungskanal, sondern durch eine Vielzahl enger, dicht nebeneönanderliegender, «*·«"? »τ durchgehender Strömungskanäle gebildet ist, die an ihren Wänden mit katalytisch wirksamem Material beschichtet sind. Durch eine solche Verbindung des Sebenbrennraums, aa dessen Wänden mit Vorzug- die katalytischem. Schichten gemäß der vorgesehen sein sollen, mit dem Hauptbrennraum in der ArtIn the case of a combustion chamber that consists of a main combustion chamber and one with it connected secondary combustion chamber exists, the invention provides that the connection not through a single, in cross-section relatively large connecting channel, but through a large number of narrow, tight adjacent, «* ·« "?» τ of continuous flow channels formed is, which are coated on their walls with catalytically active material. Through such a connection of the secondary combustion chamber, aa its walls with preference - the catalytic one. Layers according to the should be provided, with the main combustion chamber in Art

030048/0131 ,■':-; , ^ , J, .. ORIGINAL .INSPECTED030048/0131, ■ ': -; , ^, J, .. ORIGINAL .INSPECTED

eines monolithischen Katalysators wird erreicht, daß auch beim Überströmen der in dem Sebenbrennraus zuerst entzündeten Brennraumladung noch eine Umwandlungsreaktion abläuft, die für eine weitgehende Schadstoffreiheit der aus dem Zylinder ausgestoßenen Verbrennungsgase sorgt. Weiterhin soll geaäß der Erfindung vorgesehen sein, daß in einem die Verbindung aufweisenden Einsatz die dicht nebeneinanderliegenden Strömungskanäle eingearbeitet sind, wobei der Einsatz aus einem warmfesten Metall oder aus einem keramischen Material bestehen kann.A monolithic catalytic converter ensures that even when the combustion chamber charge ignited first in the secondary combustion chamber flows over a conversion reaction is still taking place, which is essential for the exhaust gas from the cylinder to be largely free of pollutants Combustion gases ensures. Furthermore, the invention is intended to provide be that incorporated the closely adjacent flow channels in an insert having the connection are, wherein the insert can consist of a heat-resistant metal or a ceramic material.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellungsweise gezeigt. Dabei zeigenIn the drawing, an embodiment of the invention is shown in a schematic representation. Show it

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Teil des Zylinderkopfs einer Diesel-Brennkraftmaschine und Figur 2 einen Schnitt gemäß den Schnittlinien II nach Figur 1.Figure 1 shows a longitudinal section through part of the cylinder head of a diesel internal combustion engine and FIG. 2 shows a section according to the section lines II according to FIG. 1.

In der Zeichnung ist ein Teil des Brennraums einer Diesel-Brennkraftmaschine gezeigt, der im wesentlichen aus einer im Zylinderkopf 5 angeordneten Wirbelbrennkammer 5 besteht, während der zwischen dem Zylinderkopf 3 und dem in einem Zylinder 1 gleitenden Kolben 2 eingeschlossene Hauptbrennraum 4 nur einen verhältnismäßig kleinen Teil des Volumens des Brennraums im oberen Totpunkt des Kolbens ausmacht· Die Wirbelbrennkammer 5 ist zu einem Teil direkt in einer Ausnehmung des Zylinderkopfes und zu einem anderen Teil in einem in dem Zylinderkopf 5 eingesetzten Einsatz 7 enthalten, der zugleich auch die nach Art eines monolithischen Katalysators ausgebildete Verbindung des Hebenbrennraums 5 mit dem Hauptbrennraum 4 aufweist, die aus einer Vielzahl von parallel nebeneinanderliegenden engen Strömungskanälen 6 besteht, die an ihren Begrenzungswänden mit einer katalytischen Schicht bedeckt sind. Zu diesem Zweck kann der Einsatz 7 entweder aus einem keramischen Material auf das die katalytisch wirksame Schicht -entweder direkt oder unter Zwischenschaltung einer keramischen Zwischenschicht (Washcode) aufgebracht ist, oder aus einemIn the drawing, part of the combustion chamber of a diesel internal combustion engine is shown, which essentially consists of a swirl combustion chamber 5 arranged in the cylinder head 5, while the main combustion chamber 4 enclosed between the cylinder head 3 and the piston 2 sliding in a cylinder 1 is only a relatively small part of the volume of the combustion chamber at the top dead center of the piston.The vortex combustion chamber 5 is contained in part directly in a recess in the cylinder head and in another part in an insert 7 inserted in the cylinder head 5, which is also designed in the manner of a monolithic catalytic converter Connection of the lifting combustion chamber 5 with the main combustion chamber 4, which consists of a plurality of parallel, adjacent narrow flow channels 6 which are covered on their boundary walls with a catalytic layer. For this purpose, the insert 7 can either be made of a ceramic material to which the catalytically active layer is applied - either directly or with the interposition of a ceramic intermediate layer (wash code), or of a

03 00 4 8/0137 owGlNAL INSPECTED03 00 4 8/0137 owGlNA L INSPECTED

warmfesten Metall bestehen, das in den Bereichen, in denen katalytisch wirksame Schichten aufgetragen werden Bollen, wie beispielsweise in den Strömungskanälen 6, ebenfalls eine keramische Zwischenschicht enthält.Heat-resistant metal are made in the areas where catalytic effective layers are applied bollen, such as in the flow channels 6, also contains a ceramic intermediate layer.

Erfindungsgemäß soll vorzugsweise die Wand der Wirbelbrennkammer dadurch mit einer katalytisch wirksamen Schicht beschichtet sein, daß eine als Träger vorgesehene gewellte und gegebenenfalls gelochte Netallfolie 9» die zudem mit einer keramischen Zwischenschicht, vorzugsweise einem Aluminiumoxyd (AIpO, der y -Struktur) bedeckt ist, auf-der dann die eigentliche katalytisch wirksame Schicht 11 aufgetragen ist, mittels eines keramischen Klebers an den Wänden des Brennraums befestigt ist. Dabei sind der Bereich der Strömungskanäle! 6 sowie der Bereich der Bohrung 8, durch die ein Glühstift in die Wirbelkammer 5 hineinragt, und der Bereich des Durchtritts eines hier nicht weiter gezeigten Einspritzventils ausgespart.According to the invention, the wall of the vortex combustion chamber should preferably be coated with a catalytically active layer, that a corrugated and possibly perforated metal foil 9, which is provided as a carrier, is also provided with a ceramic intermediate layer, preferably an aluminum oxide (AlpO, the y structure) covered is on-which then the actual catalytically active layer 11 is applied, is attached to the walls of the combustion chamber by means of a ceramic adhesive. Here are the area of the flow channels! 6 and the area of the bore 8 through which a glow plug protrudes into the swirl chamber 5, and the area of the passage of an injection valve not shown here.

Als katalytisch wirksame Schicht sowohl bei der Beschichtung der Wirbelkammer wände als auch der Wände der Verbindungskanäle 6 kann vorzugsweise ein Edelmetallkatalysator verwendet werden, bei dem auf 10 Teile Platin 1 bis 5 Teile Ehodium und 0,5 bis 3 Teile Iridium zugesetzt sind. Durch den relativ hohen Anteil an Iridium wird dabei dafür gesorgt, daß eine Reduktion insbesondere der Stickoxydanteile bei der Verbrennung auch noch bei relativ großem Luftüberschuß in dent Brennraum sichergestellt ist. Anstelle eines solchen Edelmetallkatalysators können jedoch auch andere, an sich bekannte JTichtedelmetallkatalysatoren, beispielsweise auf der Basis von Inconel, oder Katalysatoren mit seltenen Erden verwendet werden.As a catalytically effective layer both when coating the vortex chamber Walls as well as the walls of the connecting channels 6 can preferably be used a noble metal catalyst in which on 10 parts of platinum 1 to 5 parts of ehodium and 0.5 to 3 parts of iridium are added. The relatively high proportion of iridium ensures that there is a reduction, particularly in the proportion of nitrogen oxide is ensured during combustion even with a relatively large excess of air in the combustion chamber. Instead of such a noble metal catalyst however, other, per se known, non-precious metal catalysts, for example based on Inconel, or catalysts with rare earths can be used.

0 30 048/0137 original inspected0 30 048/0137 originally inspected

Claims (7)

VOLKS WAG ENWERKVOLKS WAG ENWERK AKTIENGESELLSCHAFTSHARED COMPANY 3180 Wolfsburg3180 Wolfsburg Unsere Zeichen: K 2720
1702pt-we-jäOur reference: K 2720
1702pt-we-jä 15. M * i 197915. M * i 1979 AITSPEÜCHEAITPEÜCHE .( I.JBrennraum für Brennkraftmaschinei>, dessen Wände mit einer katalytisch wirksamen Schicht ausgekleidet sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Trager für die katalytisch wirksame Schicht eine an den Brennraumwänden befestigte gewellte Folie (9) aus einem hochtemperaturfe.sten Metall vorgesehen ist, die mit einer keramischen Zwischenschicht (10) bedeckt ist. . (I.JBrennraum for Brennkraftmaschinei> whose walls are lined with a catalytically active layer, characterized in that there is provided as a support for the catalytically active layer has a fixed to the combustion chamber walls corrugated foil (9) consists of a metal hochtemperaturfe.sten that is covered with a ceramic intermediate layer (10). 2. Brennraum nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gewellte Metallfolie (9) mit einem keramischen Kleber an den Wänden des Brennraums (5) befestigt ist.2. Combustion chamber according to .Anspruch 1, characterized in that the corrugated Metal foil (9) is attached to the walls of the combustion chamber (5) with a ceramic adhesive. 3. Brennraum nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gewellte Metallfolie (9) gelocht ist.3. Combustion chamber according to claim 1 or 2, characterized in that the corrugated metal foil (9) is perforated. 4. Brennraum nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch wirksame Schicht (11) aus Edelmetallen der Platingruppe besteht, wobei auf 10 Teile Platin 1 - 3 Teile Ehodiunund 0,5-3 Teile Iridium zugesetzt sind.4. Combustion chamber according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the catalytically active layer (11) consists of noble metals of the platinum group, with 1 to 3 parts per 10 parts of platinum Ehodiun and 0.5-3 parts of iridium are added. 030048/0137030048/0137 Vorsitzender Vorstand: Toni Sdimücker, Vorsitzender - Prof. Dr. techn. Ernst Fiele · Dr. jur. Peter Frerk ■ Günter KortwldiChairman of the Board of Directors: Toni Sdimücker, Chairman - Prof. Dr. techn. Ernst Fiele Dr. jur. Peter Frerk ■ Günter Kortwldi d« Aufsicfrtirats: Horst Münzner · Dr. rer. pol. Werner P. Schmidt · Gottlieb M. Strobl · Prof. Dr. rer. pol. Friedrich Thome·-d «Advisory board: Horst Münzner · Dr. rer. pole. Werner P. Schmidt · Gottlieb M. Strobl · Prof. Dr. rer. pole. Friedrich Thome - Han's Birnbaum * Sitz der Gatellsdisft: Wottsburg ■ .- . - ' ' ' Amtsgericht Wolfsburg HRB 215'Han's Birnbaum * Seat of the Gatellsdisft: Wottsburg ■ .-. - '' 'District Court Wolfsburg HRB 215' 5· Brennraum, insbesondere nach Anspruch 1, bestehend aus einem Hauptbrennraum und einem mit diesem verbundenen Nebenbrennraum, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung durch eine Vielzahl enger, dicht nebeneinander liegender, axial durchgehender Strömungskanäle (6) gebildet ist, die an ihren Wänden mit katalytisch wirksamem Material beschichtet sind.5 · combustion chamber, in particular according to claim 1, consisting of a Main combustion chamber and a secondary combustion chamber connected to it, characterized in that the connection by a plurality of narrow, closely spaced, axially continuous Flow channels (6) is formed on their walls are coated with catalytically active material. 6. Brennraum nach Anspruch 5> vobei der untere, die Verbindung einschließende Teil des Nebenbrennraums -von einem im Zylinderkopf gehaltenen Einsatz gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dec Einsatz (7) die die Verbindung mit dem Hauptbrennraum bildenden, dicht nebeneinander liegenden und mit katalytisch wirksamem Material beschichteten Strömungskanäle (6) eingebracht sind.6. combustion chamber according to claim 5> vobei the lower, the connection enclosing part of the secondary combustion chamber -of one in the cylinder head held insert is formed, characterized in that in the insert (7) the connection with the main combustion chamber forming flow channels (6) that lie close to one another and are coated with catalytically active material are introduced. 7. Brennraum nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (7) aus einem warmfesten Metall besteht.7. combustion chamber according to claim 6, characterized in that the Insert (7) consists of a heat-resistant metal. S. Brennraum nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (7) aus einem keramischen Material besteht.S. combustion chamber according to claim 6, characterized in that the insert (7) consists of a ceramic material. 030048/0137030048/0137
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