DE3824428A1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, insbesondere Dieselmotor, mit einer Vorbrennkammer im Kolben oder im Zylinder, in die Kraftstoff eingespritzt wird, wobei die Vor­ brennkammer wenigstens teilweise mit einer Auskleidung ver­ sehen ist.

Aufgrund der immer strenger werdenden Abgasqualitätsvor­ schriften und der Bemühungen um eine Senkung des Kraftstoff­ verbrauches von Verbrennungsmotoren werden immer höhere An­ forderungen an gute Verbrennungswerte des Luft-/Kraftstoffge­ misches und eine entsprechende Zündwilligkeit gestellt. Als weitere Schwierigkeit kommt hinzu, daß Bestrebungen von der Mineralölindustrie im Gange sind die Cetanzahl, die die Zündwilligkeit des Kraftstoffes charakterisiert, zu re­ duzieren.

Aus diesem Grunde ist bereits vorgeschlagen worden, in dem Kolben oder dem Zylinder eine Vorbrennkammer vorzusehen, in die Kraftstoff eingespritzt wird. Von der Vorbrennkammer strömen dann die heißen Verbrennungsgase in den Hauptbrenn­ raum über. Dabei besteht jedoch ein Problem bezüglich der auftretenden hohen Oberflächentemperaturen. Aus Gewichtsgrün­ den sind Kolben und/oder Zylinder häufig aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wobei deren gute Wärmeleitfähig­ keit problematisch ist, denn sie heizen sich dabei sehr stark auf. Durch diese starke Erwärmung kommt es zu Ober­ flächenrissen und unter Umständen sogar zur Zerstörung des Motores.

Aus diesem Grunde hat man bereits versucht, durch eine Aus­ kleidung und Abdeckung der Vorbrennkammer einen Schutz des empfindlicheren Kolbens und Zylinders zu erreichen. Zu die­ sem Zweck ist ein Werkstoff mit hoher Isolationswirkung er­ forderlich, der jedoch gleichzeitig auch eine hohe Festig­ keit bieten muß. Hierfür hat man u. a. versucht Keramik einzu­ setzen, das einerseits hohe Temperaturen aushalten kann und andererseits eine gute Isolationswirkung bzw. schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzt. Aber auch bei diesem Werkstoff muß ein Kompromiß bezüglich Isolationswirkung und Festigkeit getroffen werden, denn bei einer geringen Wärmeleitfähigkeit liegt auch eine geringe Festigkeit vor und umgekehrt bei einer hohen Wärmeleitfähigkeit bzw. geringen Isolierungswir­ kung liegt eine höhere Festigkeit vor. Hinzu kommt, daß Kera­ mik gegen mechanische Stöße und Schläge anfällig ist, wes­ halb eine entsprechende Bruchgefahr vorhanden ist. Problema­ tisch ist auch die Verbindung zwischen dem die Auskleidung umgebenden Teil, z. B. einem Kolben aus Aluminium.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Auskleidung für eine Vorbrennkammer eines Verbrennungs­ motores zu schaffen, die eine hohe Isolationswirkung bei einer gleichzeitig hohen Festigkeit besitzt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Auskleidung aus einem Sintermetall hoher Porosität besteht.

Wie festgestellt worden ist, besitzt Sintermetall mit einer entsprechend hohen Porosität aufgrund der Poren eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit durch die geringere Dichte, wobei jedoch gleichzeitig noch eine hohe Festigkeit und eine gute Verformbarkeit gegeben ist.

Von Vorteil ist weiterhin auch, daß mit dem Sintermetallwerk­ stoff eine wesentlich bessere Verbindung zu dem diesen umge­ benden Teil, wie z. B. einem Kolben, geschaffen werden kann.

Überraschenderweise wurde festgestellt, daß bei Verwendung von Sintermetall als Auskleidung auch eine bessere Vorver­ brennung auftritt. Dies ist unter anderem auf die größere Oberfläche durch die Porosität zurückzuführen, wodurch eine bessere Vergasung auftritt. Weiterhin wird durch das Sinter­ metall auf der Oberfläche ein hoher Wärmestau erreicht. Da­ mit ergibt sich ein besseres Zündverhalten und damit eine bessere Verbrennung. Dies bedeutet, daß Kraftstoffe schlechterer Qualität verwendet werden können, insbesondere mit geringerer Cetanzahl, oder man erhält bei gleicherem Kraftstoff einen höheren Wirkungsgrad. Außerdem wird damit der Einsatz von umweltfreundlicherem Methanol oder Ethanol möglich.

Als weiterer Vorteil kommt hinzu, daß das Startverhalten und der Wirkungsgrad des Motores bei niedriger Motorbelastung ebenfalls besser wird. Das Sintermetall führt im Vergleich zu Keramik als Auskleidung schneller zu einer höheren Ober­ flächentemperatur, bzw. rascheren Erwärmung der einströmen­ den Luft an der heißen Wandung bzw. Auskleidung der Vorkam­ mer, wodurch die Vergasung bzw. Verdampfung auch im Anfahr­ bereich begünstigt wird.

Als weiterer Vorteil kommt hinzu, daß Sintermetall eine bes­ sere Schalldämpfung ergibt.

In einer sehr vorteilhaften und nicht naheliegenden Weiter­ bildung der Erfindung hat sich in überraschender Weise her­ ausgestellt, daß die vorstehend geschilderten Vorteile gegen­ über den bekannten Auskleidungen noch größer sind, wenn Sin­ termetall verwendet wird, das statt - wie üblich - aus fei­ nem Metallpulver erfindungsgemäß z. T. oder vollständig aus gesintertem Metalldrahtstücken und/oder Metallspänen be­ steht. Selbstverständlich ist jedoch im Rahmen der Erfindung auch Metallpulver, vorzugsweise grobes Pulver, zur Bildung entsprechend großer Poren geeignet.

Wird ein Sintermetall aus vorher formgepreßten und anschlie­ ßend gesinterten Metalldrahtstücken und/oder Metallspänen hergestellt, so ergibt sich ein daraus resultierendes Sinter­ teil mit sehr geringer Dichte und großen Porenräumen, woraus eine entsprechende Wärmeisolierung resultiert. Überraschen­ derweise ist trotzdem eine hohe Werkstoffestigkeit gegeben. Dies kommt vermutlich daher, daß durch die Späne und/oder Metallteilchen eine entsprechende Verklammerung auftritt. Weiterhin besitzt ein derartiges Sinterteil eine relativ hohe Elastizität, was besonders für die hohen Temperatur­ unterschiede von Vorteil ist.

Als Größen für die Metalldrahtstücke oder Metallspäne haben sich im allgemeinen Durchmesser bzw. Dicken von ca. 0,1-5 mm und Längen von 0,5-10 mm als vorteilhaft herausge­ stellt. Dabei wird die Länge im allgemeinen stets deutlich größer sein, als der Durchmesser bzw. die Dicke, wobei selbstverständlich die Längen-/ und Durchmesserverhältnisse im Bedarfsfalle auch von den o. a. Werten abweichen können.

Als Werkstoffe für die Metalldrahtstücke oder Späne sind die verschiedensten Materialien möglich, wie z. B. Kupfer, Alu­ minium, Bronze, ferritischer und austenitischer Stahl, Beryllium, Sonderlegierungen u. dgl.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung er­ gibt sich dann, wenn die Vorbrennkammer in einer Aussparung in einem Kolben aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung angeordnet ist. In diesem Falle läßt sich nämlich auf ein­ fache Weise eine sehr gute Verbindung der Auskleidung mit dem erfindungsgemäßen Sintermetall und dem Kolben erreichen. Hierzu ist es lediglich erforderlich, das fertige Sinterteil in die Form einzulegen, in der der Aluminiumkolben gegossen wird. Dies kann z. B. im Spritz- oder Druckgußverfahren erfol­ gen. Um das fertige Sinterteil wird dabei der Kolben gegos­ sen, wobei in die Außenseite, d. h. auf der dem Kolben zuge­ wandten Seite des Sinterteiles in dessen äußeren Poren flüs­ siges Aluminium eindringt und damit eine sehr gute Verbin­ dung zwischen den beiden Teilen schafft.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschrieben.

Dargestellt ist in der Zeichnung ausschnittsweise ein Schnitt durch den unteren Bereich eines Dieselmotores mit einem Kolben 1, der in einem Zylinder 2 angeordnet ist und einem Zylinderkopf 3. Der dargestellte Kolben 1 befindet sich in seinem oberen Totpunkt. In dem Zylinderkopf 3 sind in üblicherweise Ein- und Auslaßbohrungen 4 mit Ventilen 5 vorgesehen. Weiterhin ragt eine Einspritzdüse 6 mit ihrer Düse in den Kolbenraum. Der Aufbau und Wirkungsweise eines derartigen Motores ist allgemein bekannt, weshalb hierüber an dieser Stelle keine näheren Ausführungen gemacht werden.

Der Kolben 1 weist auf seiner Oberseite eine Aussparung auf, die eine Vorbrennkammer7 bildet. Die Vorbrennkammer 7 ist mit einer Auskleidung 8 versehen, die eine Isolierungsein­ lage gegenüber dem Kolben 1 bildet.

Die Auskleidung 8 besteht aus Sintermetall. Das Sintermetall­ teil wird in üblicher Weise in einer Formpresse, die der Kontur der vorgesehenen Form entspricht, als sogenannte Grünling, formgepreßt. Als Ausgangsmaterial dienen dabei Metallspäne. Nach dem Formpressen wird das Teil in üblicher Weise gesintert. Dabei tritt ein Zusammenbacken der Metall­ späne ein und eine Verfestigung der Pulvermischung. Aufgrund der Metallspäne ist jedoch eine sehr hohe Porosität vorhan­ den.

Das auf diese Weise hergestellte Sinterteil wird in eine Gußform gegeben, die der gewünschten Kolbenform entspricht. Anschließend wird in üblicher Weise der Kolben im Gußver­ fahren gefertigt, wobei eine feste Verbindung zwischen dem Sinterteil und dem Kolben auftritt.

Claims (10)

1. Verbrennungsmotor, insbesondere Dieselmotor, mit einer Vorbrennkammer im Kolben oder im Zylinder, in die Kraftstoff eingespritzt wird, wobei die Vorbrennkammer wenigstens teil­ weise mit einer Auskleidung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (8) aus einem Sintermetall hoher Porosität besteht.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintermetall gesinterte Metalldrahtstücke und/oder Me­ tallspäne aufweist.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Metalldrahtstücke und/oder Metallspäne verwendet werden, die Durchmesser bzw. Dicken von 0,1-5 mm und Längen von 0,5- 10 mm besitzen.

4. Verfahren zur Herstellung einer Vorbrennkammer für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, wobei die mit einer Auskleidung versehene Vorbrennkammer in eine Aus­ sparung im Kolben oder im Zylinder eingeformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die Form zur Herstellung des Kolbens (1) oder des Zylinders als Auskleidung (8) ein Sintermetall hoher Porosität eingelegt wird, wonach der Kolben (1) oder der Zylinder gegossen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (8) aus Sintermetall in eine Form zur Her­ stellung eines Kolbens (1) aus Aluminium oder einer Alu­ miniumlegierung eingelegt wird, wonach der Kolben gegossen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Sintermetall Metalldrahtstücke und/oder Metallspäne ver­ wendet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Metalldrahtstücke und/oder Metallspäne verwendet werden, die Durchmesser bzw. Dicken von 0,1-5 mm und Längen von ca. 0,5-10 mm besitzen.

8. Kolben für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, in den eine mit einer Auskleidung versehene Vorbrennkammer eingeformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (8) aus einem Sintermetall hoher Porosität besteht.

9. Kolben nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sintermetall gesinterte Metalldrahtstücke und/oder Metallspäne aufweist.

10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Metalldrahtstücke und/oder Metallspäne verwendet werden, die Durchmesser bzw. Dicken von 0,1-5 mm und Längen von 0,5- 10 mm besitzen.