DE3133223C2

DE3133223C2 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE3133223C2
Application number: DE3133223A
Authority: DE
Inventors: Jay D. San Rafael Calif. Rynbrandt
Original assignee: Chevron Research Co
Current assignee: Chevron USA Inc
Priority date: 1980-08-22
Filing date: 1981-08-21
Publication date: 1986-07-31
Also published as: IT1168020B; CA1200166A; ES504877A0; BR8105356A; GB2086470A; IT8123581A1; FR2500002B1; FR2500002A1; FR2489416A1; IT8123581A0; FR2489416B1; GB2086470B; DE3133223A1; ES8205941A1

Abstract

Um einen höheren Wirkungsgrad bei Verbrennungsmotoren mit Funkenzündung und Kompressionszündung zu erreichen, und um bei Verbrennungsmotoren mit Funkenzündung den Oktanzahlbedarf zu vermindern, wird wenigstens ein Teil der Oberfläche des dem Brennstoff-Luft-Gemisch ausgesetzten Ansaugrohres und/oder der den Verbrennungsgasen ausgesetzten Verbrennungskammer beschichtet mit einem Material, das gekennzeichnet ist durch eine solche Kombination der thermischen Leitfähigkeit und des thermischen Eindringvermögens, daß die Temperatur der Oberfläche während des Verbrennungsvorganges höher ist als die Temperatur, bei der sich Ablagerungen bilden, wobei diese Oberfläche nicht genügend Wärme speichert, um die Temperatur der ankommenden Luft-Brennstoff-Füllung während der Ansaug- und Kompressionstakte wesentlich zu erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit interner Verbrennung, dessen Verbrennungskammer eine wärmeisolierende Auskleidung aufweisL

Es wurde bereits erkannt, daß der thermische Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors verbessert werden kann, indem die Verbrennungskammer mit einem thermisch isolierenden Oberzug versehen wird, um Wärmeverluste an das Kühlmittel während der Komis pressions- und Leistungsabgabezyklen zu vermindern (30% bis 40% der gesamten in einer Verbrennungsmaschine erzeugten Wärme werden vollständig an das Kühlmittel abgegeben). In der US-PS 40 74 671 sind dünne Keramiküberzüge auf der Oberfläche einer Verbrennungskammer beschrieben, die diesen Zweck haben.

In der US-PS 30 19 277 ist die Beschichtung bestimmter Oberflächen der Verbrennungskammer mit einer Keramikisolierung geeigneter Dicke und thermischer Leitfähigkeit beschrieben, wobei diese Maßnahme den Zweck hat, die Bildung von Oberflächenzündung und Klopferscheinungen verursachenden Ablagerungen zu vermeiden, wenn ein phosphorhaltiger Kraftstoff oder ein phosphorhaltiges Schmiermittel in einem Motor mit hoher Kompression verwendet wird.

Es wird angenommen, daß die Ablagerung von Substanzen auf den Oberflächen der Verbrennungskammer bei neuen Motoren mit Funkenzündung und bei Betrieb derselben mit bleilosem Kraftstoff zu einem höheren Oktanzahlbedarf führt, weil das Kompressionsverhältnis erhöht wird und Wärme an die frische Luft-Kraftstoff-Füllung abgegeben wird. In solchen Fällen kann die Erhöhung des Oktanzahlbedarfs bis zu 6 oder mehr Einheiten betragen. Der »Oktanzahlbedarf« ist der minimale Oktanzahlbedarf, der erforderlich ist, um wahrnehmbare Klopferscheinungen zu vermeiden. Wenn verhindert werden kann, daß der Oktanzahlbedarf erhöht wird, so können höhere Kompressionsverhältnisse Anwendung finden, um einen höheren Wirkungsgrad und/oder die Verwendung von bleilosem Kraftstoff mit niedrigerer Oktanzahl zu erreichen.

Ein thermisch isolierender Überzug auf der Kolbenoberseite führt ferner dazu, daß die Wärmebelastung des Kolbens vermindert wird. Dadurch wiederum wird die Bildung von Rückständen in der Ringzone vermindert, wodurch das Festkleben der Ringe vermindert wird.

Durch isolierte Ansaugrohre und Einlaßventile wird die Erwärmung der Luft-Kraftstoff-Füllung bei Maschinen mit Funkenzündung vermindert, so daß der Oktanzahlbedarf vermindert wird, während bei Maschinen mit Kompressionszündung die Erwärmung der Ansaugluft vermindert wird, wodurch der volumetrische Wirkungsgrad dieser Maschinen verbessert wird.

Durch isolierte Auslaßventile und Auspuffkrümmer wird die Wärmemenge erhöht, die für funken- und kompressionsgezündete Maschinen mit Turbolader verfügbar ist, wobei ferner die Temperatur der Auspuffgase am Katalysator bei Maschinen mit Funkenzündung erhöht wird.

Eine Beschichtung der Kolbenoberseite und der Oberflächen der Verbrennungskammer mit einer isolierenden Schicht die eine geringe Wärmekapazität auf-

weist, vermindert die Dicke der nichtbrennenden kühlen Gemischschicht in der Nähe dieser Oberflächen und verbessert das Verhalten hinsichtlich der Verflüchtigung von Kohlenwasserstoffen an diesen Oberflächen während der Verbrennung. Durch diese beiden Vorgänge wird die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen verbessert bzw. die Emission von Kohlenwasserstoffen in den Auspuffgasen vermindert

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verbrennungsmotors, dessen Verbrennungsraum, derart ausgestattet ist, daß der Motor bei erhöhtem Wirkungsgrad und bei Betrieb mit Funkenzündung mit bleifreiem Kraftstoff geringerer Oktanzahl ohne Klopferscheinungen betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Auskleidung von einer Schicht aus einem thermisch stabilen festen Schaummaterial mit geschlossener Zellstruktur gebildet wird, welches eine Kombination eines thermischen Eindringvermögens und einer thermischen Leitfähigkeit aufweist, bei der das thermische Eindringvermögen ]ßpc kleiner ist als etwa 600 J/m² Ksec"² und die thermische Leitfähigkeit Al δ wenigstens etwa 2000 J/m² Ksec beträgt.

Dadurch wird erreicht, daß die Temperatur auf der Oberfläche dieser Auskleidung während des Verbrennungsvorgangs höher ist als die Temperatur, bei der Ablagerungen entstehen, wobei die Auskleidung eine Wärmemenge speichert, die nicht ausreicht, um die Temperatur der angesaugten Luft-Brennstoff-Füllung während des Ansaug- und Kompressionstaktes der Maschine wesentlich zu erhöhen.

Bevorzugte ausgestaltende Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäß für die Auskleidung der Verbrennungskammer verwendete geschlossenzellige Material hat eine niedrige Wärmekapazität. Es kann während des Herstellungsverfahrens einteilig mit der Verbrennungskammeroberfläche ausgebildet werden oder als Oberflächenbeschichtung auf die fertigen Verbrennungskammerteile aufgebracht werden.

Die erforderlichen thermischen Eigenschaften hinsichtlich der Leitfähigkeit und der Wärmekapazität können durch mathematische Modelle für thermisch oszillierende Systeme wie die Verbrennungskammeroberfläche des Verbrennungsmotors beschrieben werden.

Die Anforderungen an die für die Erfindung geeigneten Stoffe lassen sich ausdrucken als thermisches Eindringvermögen und thermische Leitfähigkeit. Eine Verbrennungskammer mit einer Beschichtung, die ein geringes thermisches Eindringvermögen und eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, gibt weniger Wärme an die frische Luft-Kraftstoff-Füllung ab als eine herkömmliche Oberfläche mit Ablagerungen aus bleifreiem oder verbleitem Kraftstoff. Ferner hat sie einen geringeren Oktanzahlbedarf als eine Kammer, in der Ablagerungen gebildet sind. Während wenigstens eines Teils des Verbrennungsvorgangs wird die Oberflächentemperatur der Verbrennungskammer hoch genug, um die Bildung von Ablagerungen zu verhindern.

Untersuchungen mittels Cornputermodellen führen zu der Annahme, daß dünne Überzüge in Verbrennungskammern mit geschlossenzelligen Hohlräumen, die ein großes Volumen haben, hinsichtlich der wiedergegebenen Wärme sich ähnlich verhalten wie eine saubere Verbrennungskammer aus Metall, jedoch während der Verbrennung eine ausreichend hohe Oberflächentemperatur erreichen, um die Bildung von Ablagerungen zu verhindern. Die Verminderung der wiederabgegebenen Wärmemenge wird bei Computermodellen beobachtet, wenn das thermische Eindringvermögen reduziert und die Wärmeleitung erhöht wird. Wenn das thermische Eindringvermögen vermindert und gleichzeitig die thermische Leitfähigkeit erhöht wird, so ist dies günstiger, als wenn die beiden Eigenschaften getrennt verändert werden.

Es gibt keine untere Grenze für die günstigen Auswirkungen des thermischen Eindringvermögens. Die obere

ίο Grenze für die Nützlichkeit der thermischen Leitfähigkeit ist derjenige Punkt, wo die Oberfläche während der Verbrennung nicht mehr warm genug wird, um die Bildung von Ablagerungen zu verhindern, welche dazu führen, daß der durch die Beschichtung erreichte Vorteil hinsichtlich des Oktanzahlbedarfs verloren geht. Diese obere Grenze liegt für höhere Werte des thermischen Eindringvermögens niedriger.

Das thermische Eindringvermögen ist definiert als ]ßpC, worin A die thermische Leitfähigkeit, ρ die Dichte und Cdie Wärmekapazität ist. Die thermische Leitfähigkeit ist definiert als AIo, worin δ die Dicke ist. Die erfindungsgemäß verwendeten geschlossenzelligen Stoffe haben ein thermisches Eindringvermögen von weniger als etwa 600 J/m² Ksec¹'² und eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens etwa 2000 J/m² Ksec. Die geeigneten Stoffe haben ein Produkt aus dem thermischen Eindringvermögen und der thermischen Leitfähigkeit von vorzugsweise weniger als etwa 3XlO⁶JVm⁴K²SeC³'². Zusätzlich sollte die Wärmespeicherung der Oberfläche nicht ausreichen, um die Temperatur der angesaugten Luft-Brennstoff-Füllung um mehr als etwa 33°C oberhalb der Temperaturzunahme eines sauberen Motors anzuheben.
Bevorzugte Beschichtungsstoffe, z. B. geschlossenzellige Polyimid-Harzschäume, die Ruß und Mikrokügelchen enthalten, haben ein thermisches Eindringvermögen von etwa 380 J/m² Ksec"² und eine thermische Leitfähigkeit von 3000 J/m² Ksec.
Das Material kann irgendein anorganischer oder organischer Feststoff oder ein aus diesem abgeleiteter Stoff sein, der ein ausreichend großes Hohlraumvolumen aufweist, damit die genannten Parameter erfüllt sind. Geeignete organische Stoffe sind Hochtemperatur-Polyimidharze und Harzschäume, die Hohlkügelchen enthalten. Geeignete anorganische Stoffe sind z. B. Oxide, Nitride und Karbide von Si, Ti, Cr, Ta, Nb, Zn und dergleichen, die durch Einarbeitung eines ausreichenden Hohlraumvolumens in Form von Mikrokügelchen, Blähmitteln, Gasen oder dergleichen modifiziert sind, um die genannten Parameter hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeit und des thermischen Eindringvermögens aufzuweisen. Die thermischen Eigenschaften eines Schaumes mit einem gegebenen Volumen (NV), das nicht hohl ist, können aus den folgenden Beziehungen abgeschätzt werden.

A ~

P =

C =

NVI (2- NV) NV

worin der Index ί den Feststoff bezeichnet.

Ein gewünschter Wert für NV kann leicht bestimmt werden, indem die Ausdrücke für A, ρ und C für Schaum in die Formel für das thermische Eindringvermögen eingesetzt werden und der Wert von /VVabgeglichen wird, bis der gewünschte Wert für das thermische Eindringvermögen erreicht ist. Die Dicke δ des Überzugs kann so eingestellt werden, daß die thermische Leitfähigkeit

innerhalb der gewünschten Grenzen liegt. Z. B. hat SiIiciumnitrit einen Wert A₁ Von 18 W/m K, einen Wert p_s von 3240 Kg/m³ und einen Wert C von 1060 J/Kg K. Ein Schaum aus Siliciumnitrit mit A/V=0,08 ergibt einen geschätzsen Wert λ von 0,75 W/m K sowie ein geschätztes thermisches Eindringvermögen von 454 J/m² Ksec"². Ein 0,2 mm dicker Überzug aus diesem Schaum hat eine thermische Leitfähigkeit von 3750 W/m² K.

Die modifizierten anorganischen Gemische können gebildet werden, indem organische oder anorganische Mikrokügelchen mit dem anorganischen Material gemischt werden, und das Material im erhitzten Zustand gepreßt bzw. gesintert wird, um einen festen Stoff zu erhalten, oder durch Anwendung ähnlicher bekannter Verfahren.

Die erfindungsgemäße Beschichtung ist anwendbar auf Verbrennungsmotoren mit Funkzündung und Kompressionszündung, z. B. Zwei- oder Viertaktmotoren sowie Rotationskolbenmotoren, die allgemein als »Wankelmotoren« bezeichnet werden. Beschichtet wird die nicht überstreifte Oberfläche der Verbrennungskammer, die mit den Verbrennungsgasen in Berührung ist, wozu auch die Oberseite des Kolbens gehört, (d. h. der der Verbrennung ausgesetzte Teil), die Ventilfläche und der Zylinderkopf; ferner die Oberfläche des Ansaugrohres bzw. Ansaugkrümmers, nämlich die Oberfläche, welche mit der angesaugten Kraftstoff-Luft-Füllung zwischen dem Vergaser und der Verbrennungskammer in Berührung gelangt, wozu auch das tulpenförmige Einlaßventil gehört. Die Beschichtung wird durch irgendein geeignetes Verfahren aufgebracht, um eine im wesentlichen gleichmäßige Schicht zu bilden, und zwar mit einer Dicke von 0,02 mm bis 1 mm, vorzugsweise etwa 0,03 mm bis 0,4 mm.

Die Oberflächen der Verbrennungskammer und des Ansaugrohres sind in der genannten Weise beschichtet, jedoch aus verschiedenen Gründen. Während die Verbrennungskammer beschichtet ist, um eine bessere Annäherung des Motorbetriebs an den adiabatischen Zustand erreichen, d. h. eine Verminderung der Wärmeverluste an das Kühlmittel am Ende des Kompressionshubes und während des Leistungsabgabehubs, und um Ablagerungen zu vermindern, hat die Beschichtung des Ansaugrohres die Aufgabe, eine übermäßige Erwärmung der Brennstoff-Luft-Füllung, die über diejenige hinausgeht, die zur Vernebelung des Gemisches erforderlich ist, zu verhindern und die Ablagerung von Rückständen am tulpenförmigen Teil des Einlaßventils zu vermindern. Die Beschichtung des Ansaugrohres ist insbesondere bei Vergasermotoren anwendbar, im Gegensatz zu Motoren mit direkter Kraftstoffeinspritzung.

Wenigstens ein Teil der Oberfläche der Auslaßöffnung kann mit dem Harzschaum beschichtet sein, um auf diese Weise die Abgastemperatur zu erhöhen, was günstig ist bei Verwendung eines Turboladers oder im Hinblick auf die Verminderung der Schadstoffemission mittels eines Katalysators.

Die erfindungsgemäße thermisch stabile Harzschaumbeschichtung ist selbst bei den hohen Arbeitstemperatures denen sie bei Verbrennungsmotoren ausgesetzt ist oxidations- und zersetzungsbeständig. Sie verdankt diese Eigenschaften sowohl den Stoffen, aus denen sie gebildet ist, als auch der Art ihres Aufbaus. Die Beschichtung besteht aus einer großen Anzahl von Hohlräumen, die in eine Harzmatrix eingebettet sind. Insbesondere nehmen die Hohlräume etwa 40% oder mehr des Volumens der Beschichtung ein. Die Beschichtung wird zutreffend als »Schaum« bezeichnet, da in ihr eine große Anzahl von Hohlräumen (nämlich gashaltige Zellen) enthalten ist. Die Hohlräume sind im wesentli- ) chen dicht abgeschlossen, da der Schaum geschlossenzellig ist, so daß der Druck im Inneren einer gegebenen geschlossenen Zelle im Verlauf der Druckzyklen des Motors keinen Schwankungen unterworfen ist. Ein relativ einfaches Verfahren zur Herstellung eines Überzugs aus geschlossenzelligem Schaum gemäß der Erfindung ; besteht darin, daß eine große Anzahl von vorgeformten Hohlkügelchen, im folgenden als Mikrokügelchen bezeichnet, in einer Harzmatrix eingebettet wird, was als »syntaktischer Schaum« bezeichnet wird (vgl. Modem Plastics Encyclopedia 1978—79, McGraw-Hill, Seite ' 145). Die Mikrokügelchen werden in die Harzlösung eingemischt, die später an der Oberfläche zu einer star- ■ ren Matrix gehärtet wird. Im Handel erhältliche Mikrokügelchen können aus verschiedenen Stoffen gebildet sein; bei den erfindungsgemäßen Beschichtungen werden sowohl anorganischen Mikrokügelchen aus Glas, Keramik und Quarz als auch bestimmte Mikrokügelchen aus Plastikmaterial verwendet, und z. B. solche aus Phenol-Formaldehyd-Plastik. Die Mikrokügelchen haben einen mittleren Durchmesser vone twa 0,01 mm bis 0,2 mm und nehmen etwa 40 bis etwa 80 Volumenprozent, vorzugsweise etwa 50 bis etwa 70%, des gehärteten Schaums ein. Die Mikrokügelchen aus Plastikmaterial werden nach der Druckbeständigkeit sortiert, indem sie mit etwa 2750 Kilopascal in einer Flüssigkeit unter Druck gesetzt werden, mit anschließender Flotation des _f gewünschten Bruchteils.

Anorganische Mikrokügelchen werden verwendet, um die Festigkeit zu erhöhen und zusätzlich das Hohlraumvolumen des geschlossenzeliigen Schaums zu vergrößern. Die anorganischen Mikrokügelchen nehmen ein Volumen von etwa 40—70% des gehärteten Schaumes ein. Die Mikrokügelchen werden vor der Flotaiion mit etwa 1200 Kilopascal unter Druck gesetzt.

Das bei der erfindungsgemäßen Beschichtung verwendete Harz-Matrixmaterial ist irgendein Harz, das zu einer starren Matrix aushärtet und die oben erwähnten Eigenschaften der Dauerhaftigkeit und thermischen Stabilität aufweist. Harzverbindungen, die Harz, Kohlenstoff und/oder Siliciumoxyd enthalten, werden bevorzugt. Viele solcher Harze sind Hochtemperaturpolymere, die aromatische Ringe enthalten (Advances in Macromolecular Chemistry, Vol. 2, Academic Press, New York, 1970, Seiten 175—236, M. M. Koton), fluorierte Polymere oder Organosiliconpolymere. Beispiele sind: Polyaromaten, Polyphenylenoxyd, aromatische Polyester, Polyamide, Polyanhydride und Polyharnstoffe mit Schmelzpunkten, die höher sind als 300° C. Vorzugsweise ist das Harz ein wärmehärtendes oder thermoplastisches Polyimid- oder Polyamidharz, z. B. aromatische Polymere, die aushärten, indem sie die Polyamidimide bilden, vgl. US-PS 31 90 856, z. B. Trimellitsäure-Anhydrid-Polymere und aromatische Diamine, die in den US-PS'en 41 36 085 und 33 47 808 beschrieben sind. Polyimidharze sind in großem Umfang verfügbar (Modern Plastics Encyclopaedia 1979—80, McGraw-Hill, Seiten 76—78). Wärmehärtende Polyimide zeigen unterhalb ihrer thermischen Zersetzungstemperatur, die bis zu 260° C und höher sein kann, keinen deutlichen Erweichungspunkt. Thermoplastisches Polyimid hat einen Schmelzpunkt von etwa 310—365°C Polyimide werden im allgemeinen erzeugt durch Reaktion von Anhydriden oder Dianhydriden mit Di(prim.)Aminen (vgl. Polyimides a New Class of Thermally Stable

Polymers, Technomic Publ. Co., Stamford, Conn., 1970, N. A. Adrova et al.), z. B. die Reaktion von

II₂N

H₂N

worin —X— und —Υ— ausgewählt sind aus

O
— C(CFi)₂ —O— —C— usw.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Harzmatrix ein Gemisch aus Polyimid und Ruß oder Graphit, das vorzugsweise ferner amorphes abgerauchtes Siliciumdioxyd (fumed silica) enthält. Vorzugsweise wird Ruß mit hoher Dichte und geringem Verhältnis der Oberfläche /um Volumen verwendet. Derartige Zusammensetzungen sind von ihrer Struktur her steifer und hitzebeständiger, und zwar insofern, als sie ihre Form- und Dauerhaftigkeit selbst oberhalb des Erweichungspunktes des Harzes behalten. Ein bevorzugtes Harz-Matrix-Gemisch enthält etwa 30—85 Gewichtsprozent Polyimidharz. 70—15 Gewichtsprozent Ruß und 0—7 Gewichtsprozent abgerauchtes Siliciumdioxyd, insbesondere etwa 35—50 Gewichtsprozent Polyimid, etwa 65—50 Gewichtsprozent Ruß und 0—4 Gewichtsprozent abgerauchtes Siliciumdioxyd.

Die Schaumbeschichtung kann auf der Metalloberfläche gebildet werden (in bestimmten Fällen können anstelle von Metalioberflächen auch Kunststoffoberflächen vorgesehen sein, wenn der Verbrennungsmotor teilweise aus Plastikteilen aufgebaut ist), indem Polyimid mit einem Lösungsmittel (z.B. l-Methyl-2-Pyrolidon) und gegebenenfalls mit einem Verdünner wie p-XyIoI. einem Füllstoff wie Ruß, Graphit und/oder abgerauchtem Siliciumdioxyd und/oder Borpulver sowie Mikrokügelchen vermischt wird. Dieses flüssige Gemisch wird auf der sauberen Oberfläche, die vorgewärmt werden kann, bis zu der gewünschten Dicke aufgeschichtet oder aufgesprüht. Verdünner und Lösungsmittel werden sorgfältig aus der Beschichtung entfernt, um das Auftreten von Lösungsmittelgradienten in der Beschichtung gering zu halten bzw. zu verhindern. Der Überzug wird dann durch Erhitzen von etwa 140⁰C auf etwa 260°—370⁰C während 8—24 Stunden gehärtet. Die maximal mögliche Härtungstemperatur hängt von der Art der Mikrokügelchen ab, da die Phenol-Mikrokügelchen bei der höchsten Temperatur geschwächt werden. Die Beschichtung erfolgt auf der Oberfläche mit der Dicke, die für Dauerbetrieb in dem Motor angestrebt wird. Die Beschichtung muß zwar nicht ablatierend sein, wenn sie zu dick ist, kann sie jedoch bis zu einer günstigeren Dicke im Bereich von etwa 0,04—2 mm an der Verbrennung ausgesetzten Oberflächen abgetragen werden.

Es werden nun verschiedene Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert.

F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Beschichtung aus einem Material, das die gewünschte thermische Leitfähigkeit und Eindringtiefe hat, auf den Oberflächen einer herkömmlichen Verbrennungskammer 1 und des Ansaugrohres 2 eines Viertaktmotors aufgebracht ist. Ein Kolben 3 und ein Einlaßventil 4 sind ungefähr in der Stellung gezeigt, in der der Einlaßtakt des Kolbens beginnt. Das (nicht gezeigte) Brennstoff-Luft-Gemisch gelangt durch das Ansaugrohr 2 an dem geöffneten Einlaßventil 4 vorbei in die Verbrennungskammer 1, um dort durch eine Zündkerze 5 gezündet zu werden. Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform sind beschichtet: wenigstens die nichtüberstreifte Oberfläche 6, 8 der Verbrennungskammer, insbesondere der nichtüberstreifte Teil des Zylinders 6, die Stirnfläche 7 des Einlaßventils, die Kolbenoberseite 8 (d. h. derjenige Teil, der der Verbrennung ausgesetzt ist), sowie wenigstens ein Teil der Oberfläche 9, 10 des Ansaugrohres, insbesondere die Ansaugkammer 9 und der tulpenförmige Teil des Einlaßventils 10, der hier als Teil der Oberfläche des Ansaugrohres betrachtet wird.

F i g. 2 zeigt eine besondere Ausführungsform der beschichteten Oberfläche in einem stark vergrößerten Querschnitt. Diese F i g. 2 ist von der Aufnahme eines Raster-Elektronenmikroskops abgeleitet und stellt einen Überzug aus einem geschlossenzelligen Harzschaum dar, der senkrecht zu seiner Oberfläche geschnitten wurde und parallel zu dieser Oberfläche betrachtet wird. In F i g. 2 bilden hohle Mikrokügelchen 11 in einer Harzmatrix 12 einen geschlossenzelligen Schaumüberzug 13 auf der Oberfläche 14. Mit 15 ist das Maß 100 Mikron bezeichnet. Die Mikrokügelchen 11 enthalten ein (nicht gezeigtes) Gas, bei dem es sich um Luft handeln kann.

Beispiel 1

Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde die Oberfläche der Verbrennungskammer in einem CFR-L-Zylinderkopf (Ein-Zylindermotor mit Funkenzündung und 611,3 cm³ Hubraum sowie Kompression 7,0 :1) mit einem Gemisch beschichtet, das durch Mischen von 1 Volumenteil Amid-Imid-Polymer vom Typ Amoco AI-IO (ein Kondensationspolymer, das aromatische Imidbrükken enthält und aus Trimellitsäure-Anhydrid und Diamin gebildet ist), 3 Volumenteile N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) und 1 Volumenteil Ruß vom Typ Cabot Sterling MG (medium thermal) in einem Hochgeschwindigkeitsmischer bis zur Herbeiführung einer glatten

Konsistenz hergestellt wurde. 3 Trockenvolumina Mikrokügelchen vom Typ Union Carbide BJO-0930 (Phenolharz) wurden hinzugefügt und eingerührt, bis eine glatte Konsistenz erreicht wurde. Das Gemisch wurde auf die Oberfläche aufgestrichen, mit Heißluft bis zum Härten erhitzt, dann über Nacht bei 6O⁰C getrocknet und bei 200, 230, 260, 290 und 315⁰C jeweils 2 Stunden gehärtet. Diese Beschichtung zeigte am Ende eines über 65 Stunden dauernden Tests mit der oben genannten Maschine und bei Betrieb mit bleifreiem Benzin (Alkylat) bei 1200 U/min, 533 Pa Saugvakuum und 1,5% CO-Emission bei 20° Frühzündung keinerlei Beschädigungserscheinungen.

Beispiel 2

Hei diesem Ausführungsbeispiel wurde eine andere Verbrennungskammer des CFR-L-Zylinderkopfes mit einem Gemisch beschichtet, das zubereitet wurde durch Mischen von 24 g Polyimid vom Typ Monsanto Skybond 700, ein bei Wärme reagierendes aromatisches Harz, das thermisch zu einem vernetzten Polyimid gehärtet wird, 24 g Ruß vom Typ Cities Service Columbian Raven MT (medium thermal), 12 g N-MethyI-2-pyrrolidon und 10 g p-Xylol in einem Hochgeschwindigkeitsmischer. 70 ecm Mikrokügelchen vom Typ Union Carbide BJO-0840 (Phenylharz) wurden zu 62 g des oben genannten Gemisches gemeinsam mit 5 g p-Xylol-Verdünner hinzugefügt. Die Mikrokügelchen wurden hergestellt durch Unterdrucksetzen derselben bei etwa 2000 kPa in Isooctan und Beseitigung des unzercjuetschten Bruchteils durch Flotation. Der verdünnte Überzug wurde auf den auf 50° C vorerhitzten Zylinderkopf mittels einer Sprühdose aufgesprüht, über Nacht an der Luft getrocknet, um den größten Teil des Lösungsmittels zu entfernen, dann im Ofen bei 50,75,100 und 180° C während jeweils 2 Stunden getrocknet und anschließend während jeweils 2 Stunden bei 200, 220, 240 und 260⁰C gehärtet. Dieser Überzug zeigte am Ende eines 100 Stunden dauernden Tests mit der oben genannten CFR-Maschine unter den Bedingungen des Beispiels 1 keine Anzeichen von Beschädigung.

Beispiel 3

Die Verbrennungskammer eines CFR-L-Zy!inderkopfes wurde beschichtet mit einem Gemisch, das zubereitet wurde durch Vermischen von 25 g eines bei Wärme reagierenden aromatischen Harzsystems vom Typ Monsanto Skybond 700, das zu einem vernetzten Polyimid thermisch aushärten kann, 13 g NMP, 15 g Ruß vom Typ Cities Service Columbian Raven MT in Form von Kügelchen, und zwar in einem Hochgeschwindigkeitsmischer bis zum Erreichen einer glatten Konsistenz. 2,6 g Mikrokügelchen vom Typ Union Carbide BJO-0930, die durch Ausscheiden der schwimmenden Anteile in einer nach unten strömenden Äthanolsäule klassifiziert wurden, wurden zu 41 g des Polyimid-Ruß-Matrixgemisches hinzugefügt. Nach dem Trocknen wurde dieser Überzug in der selben Weise wie bei Beispiel 2 gehärtet. Am Ende eines 65 Stunden dauernden Motortests mit der CFR-Maschine bei Betrieb mit bleifreiem Benzin und unter den Testbedingungen von Beispiel 1 zeigte dieser Überzug praktisch keinerlei Veränderung. Es wurde gefunden, daß die mit dem Überzug versehene Maschine bei 30° Frühzündung nur einen Mehrbedarf von 2,3 Oktan aufweist, im Gegensatz zu 6,3 Oktan bei Betrieb desselben Zylinderkopfes ohne den Überzug.

Beispiel 4

Eine Verbrennungskammer in einem CFR-L-Zylinderkopf wurde durch Aufsprühen mit einem Gemisch beschichtet, das hergestellt wurde durch Vermischen von 24 g Monsanto Skybond 70, 24 g Ruß vom Typ Cancarb grade N-907, 24 g eines Gemisches aus 26,5% NMP und 73,5% p-Xylol, und zwar in einem Hochgeschwindigkeitsmischer. 70 ecm behandelter Mikrokügelchen vom Typ Union Carbide BJO-0840 werden zu 64 g des oben genannten Gemisches gemeinsam mit 6 g des erwähnten NMP-p-Xylol-Gemisches hinzugefügt. Die Mikrokügelchen wurden behandelt durch Erhitzen auf 170⁰C während 2 Stunden bei einem Überdruck von 3330 Pa und mit einer geringen N2-Spülung, mit anschließendem Unterdrucksetzen der Mikrokügelchen bei etwa 2750 kPa in Isooctan, Beseitigen des nicht-zermalmten Bruchteils durch Flotation und Trocknen des rückständigen Isooctans. Das am Ende erhaltene Gemisch wurde mittels Luft bis zu einer gehärteten Dicke von 0,127 mm aufgesprüht. Der Überzug trocknete dann über Nacht an der Luft und wurde anschließend im Ofen getrocknet und gehärtet bei 50, 80, 120, 150, 180, 200, 220 und 240°C während jeweils 2 Stunden. Nach 100 Stunden Betriebsdauer eines Motors mit bleifreiem Kraftstoff und unter den Testbedingungen des Beispiels 1 war der Überzug unverändert.

Beispiel 5

Bei diesem Beispiel wurde der CFR-L-Zylinderkopf auf ein Kompressionsverhältnis von 9,5 geschliffen, bevor die Beschichtung aufgebracht wurde. Das Beschichtungsgemisch wurde in einer Kugelmühle zubereitet:

31 g Monsanto Skybond 700, 23 g Monsanto Skybond 705, 21 g N-Methyl-2-pyrrolidon, 1,2 g amorphes Borpulver mit 95% Reinheitsgrad und einer Gradation von 0,3 bis 1,5 μ vom Typ Atomergic Chemetals, sowie 10 g korosionsbeständiger Ruß, Typ Nr. 907 (medium thermal) von Cancarb Limited. Nach dem Mahlen wurden 9,7 g unlösliche Glasmikrokügelchen von Emerson and Cumings FTD 202 hinzugefügt. Die Mikrokügelchen wurden zuvor sortiert durch Ausüben von 14 000 Kilopascal Druck unter Wasser und Auffangen des schwimmenden Bruchteils. Der Zylinderkopf wurde vor dem Aufsprühen auf 70⁰C vorerwärmt. Der besprühte Zylinderkopf wurde dann in einem programmierten Ofen ausgehärtet, der in 12 Minuten von 9O⁰C auf 155°C, in 2 Stunden von 155° C auf 200° C und in 13 Stunden von

so 200° C auf 350° C erhitzt wurde. Ein mit dem so beschichteten Zylinderkopf ausgerüsteter Motor lief während 20 Stunden mit Alkylat-Brennstoff bei einem Saugvakuum von 6,8 kPa. Am Ende des Motortests war die Beschichtung praktisch intakt, mit Ausnahme eines kleinen Bereichs zwischen dem Zylinder und den Ventilen, wo hohe Gasgeschwindigkeiten auftreten. Zufällig freiliegende Mikrokügelchen zeigten Erscheinungen des thermischen Zusammenbruches an ihrer freiliegenden Seite. Die mittlere Dicke der Beschichtung bei Testbeginn betrug 84,8 μπι und 77,2 μπι bei Testende.

Beispiel 6

Bei diesem Beispiel wurde derselbe Motor unter denselben Bedingungen wie bei Beispiel 5 verwendet. Die Matrix zum Halten der Mikrokügelchen wurde in einer Kugelmühle folgendermaßen zubereitet: 21,3 g Monsanto Skybond 705, 31,2 g Monsanto Skybond 700,

11

10,9 g korrosionsbeständiger Ruß Nr. 907 medium von Cancarb Limited sowie 21,3 g N-Methyl-2-pyrrolidon. 60 g einer solchen Matrix wurden kombiniert mit 13,8 g keramischen Mikrokügelchen von wärmebeständigem Ruß und 22,2 g N-Methyl-2-pyrrolidon, NMP, wobei die Herstellung in einer Kugelmühle erfolgte; dann wurden 70,4 g dieses Gemisches zu 8,2 g Glasmikrokügelchen vom Typ FTF 15 von Emerson and Cumings hinzugefügt, wobei diese Kügelchen unter Druck in Wasser bei 21 000 Kilopascal ausgesucht wurden. Der Zylinderkopf wurde dann gemäß Beispiel 5 gehärtet. Eine solche Maschine wurde dann während 230 Stunden in einen gemischten Autobahn-Stadtzyklus bei einer mittleren Geschwindigkeit von 46,4 km/h betrieben. Am Ende dieses Tests hatten die beschichteten Zylinderköpfe einen um 1,2 Einheiten verminderten Oktanzahlbedarf gegenüber den unbeschichteten Zylinderköpfen.

Zwei Muster der Beschichtung nach diesem Beispiel hatten eine Wärmeleitfähigkeit von 0,171 bzw. 0,118 J/m Ksec, eine Dichte von 948 Kg/m³ und eine geschätzte Wärmekapazität von 1130 J/KgK. Ihre Werte für ^fJpC waren also 428 bzw. 356 J/m² Ksec¹'². Die Dicken dieser Muster betrugen 40 χ 10-⁶m bzw. 50x 10~⁶m, was Werte von 4275 bzw. 2360 J/m² Ksec ergab. Das Produkt aus thermischem Eindringvermögen und thermischer Leitfähigkeit betrug 1,83 χ 10⁶ bzw.8,4 χ 10⁵ J²/m⁴ Ksec³'².

Zum Vergleich gilt für eine Verbrennungskammer mit Ablagerungen durch unverbleites Benzin eine thermische Leitfähigkeit von 0,25, eine Dichte von 1520 Kg/m³ und eine Wärmekapazität von 1670, was zu einem Wert von \ßpÜ von 797 J/m² Ksec"² führt. Diese Ablagerung hat eine Dicke von 35 χ 10~⁶ m (wenngleich Ablagerungen mit einer Dicke von mehr als 100 χ IO-⁶ m üblich sind), so daß der Wert Älö 7143 J/ m² Ksec beträgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verbrennungsmotor mit interner Verbrennung, dessen Verbrennungskammer eine wärmeisolierende Auskleidung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung von einer Schicht aus einem thermisch stabilen festen Schaummaterial mit geschlossener Zellstruktur gebildet wird, welches eine Kombination eines thermischen Eindringvermögens und einer thermischen Leitfähigkeit aufweist, bei der das thermische Eindringvermögen ]ßpc kleiner ist als etwa 600 J/m² Ksec¹'² und die thermische Leitfähigkeit λΐδ wenigstens etwa 2000 J/m² Ksec beträgt

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus dem ihermischen Eindringvermögen und der thermischen Leitfähigkeit der Schicht kleiner ist als etwa 3 χ 10⁶JVm⁴ K²sec³'².

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Harzschaum hohle Mikrokügelchen in einer Harzmatrix umfaßt.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrokügelchen anorganische Mikrokügelchen sind.

5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrokügelchen aus Glas, Quarz oder einem Gemisch daraus gebildet sind.

6. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrokügelchen ein Volumen von etwa 40—70% des gehärteten Schaumes einnehmen.

7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Harzschaum Plastikmikrokügelchen in einer Harzmatrix umfaßt.

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Plastikmikrokügelchen aus Phenol-Formaldehydplastik gebildet sind.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Plastikmikrokügelchen einen mittleren Durchmesser von etwa 0,01 bis 0,1 mm haben und in dem Schaum etwa 50 bis etwa 70 Volumenprozent einnehmen.

10. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Harzmatrix aus Polyimidharz besteht.

11. Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Harzmatrix ein Gemisch aus Polyimidharz und Kohlenstoff ist.

12. Verbrennungsmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Harzmatrix ein Gemisch aus Polyimidharz, Kohlenstoff, Siliciumoxyd, ZnO, B und Al ist.

13. Verbrennungsmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz 30-85 Gew.-% Polyimidharz, etwa 70-15 Gew.-% Ruß und etwa 50—80 Volumenprozent — auf den gehärteten Schaum bezogen — hohle Mikrokügelchen umfaßt.

14. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum ein isolierender Keramikschaum ist.

15. Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Keramikschaum ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus den Oxyden, Nitriden und Carbiden von Si, Ti, Cr, Ta, Nb und Zn besteht, wobei dieser Schaum ferner hohle Mikrokügelchen enthält