WO2005031140A1 - Verfahren zur herstellung eines kolbens für verbrennungsmotoren insbesondere für einen gegenkolbenmotor nach art eines zweitaktmotors - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines kolbens für verbrennungsmotoren insbesondere für einen gegenkolbenmotor nach art eines zweitaktmotors Download PDF

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WO2005031140A1
WO2005031140A1 PCT/EP2004/051452 EP2004051452W WO2005031140A1 WO 2005031140 A1 WO2005031140 A1 WO 2005031140A1 EP 2004051452 W EP2004051452 W EP 2004051452W WO 2005031140 A1 WO2005031140 A1 WO 2005031140A1
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piston
carbon
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light metal
piston engine
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PCT/EP2004/051452
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Karl-Heinz LAUKÖTTER
Gerhard Heinz
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Laukoetter Karl-Heinz
Gerhard Heinz
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0084—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ carbon or graphite as the main non-metallic constituent
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B75/28—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • F02B75/282—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders the pistons having equal strokes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
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    • F02F3/10—Pistons  having surface coverings
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    • F02F3/14—Pistons  having surface coverings on piston heads within combustion chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/025—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle two

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a piston for internal combustion engines, in particular for a counter-piston engine in the manner of a two-stroke engine with at least two pistons.
  • the invention relates to the method for producing a piston for two-stroke and four-stroke engines.
  • the invention also relates to a piston as such for internal combustion engines.
  • the counter-piston engine is a longitudinally flushed two-stroke engine in which the gases flow in the direction of the cylinder axis when changing the gas.
  • Two pistons work in opposite directions in one cylinder. The pistons move towards one another during the compression stroke, the pistons moving away from one another during the working stroke. The bottoms of both pistons together with part of the cylinder wall form the combustion chamber of the engine. The merge the combustion air and the gases, as well as the removal of the exhaust gases, is accomplished by rows of slots released by the pistons
  • Such a motor is known from DE 19821074 AI, in which the pistons are provided with spooling channels, so that oil cooling can flow through the pistons for cooling or heat dissipation, in order to enable constant heat dissipation on the piston in spite of this cooling Pistons for a counter-piston engine still have drawbacks, because in particular the piston can still be damaged due to the extremely high combustion temperatures in the combustion chamber, and the piston in the liner will seize. The lifespan of such a counter-piston engine is therefore particularly limited
  • the pore burner (aluminum silicate fibers in a matrix made of SiN, SiC, Si) already achieves the required US standard through catalytic combustion within the pores at 1200 ° C.
  • First applications as a water heater and "steam engine” from Engimon (25kW thermal, 6kW electrical) are being tested
  • Engimon 25kW thermal, 6kW electrical
  • the second object of the invention is to develop a counter-piston engine in the manner of a two-stroke engine, the pistons of which allow very high temperatures, the running and lubricating properties of the pistons being ensured. It is a further object of the invention to provide a two-stroke counter-piston engine which is undemanding in terms of fuel quality and is distinguished by a low specific consumption and low pollutant emissions.
  • the individual piston is manufactured from a composition consisting of light metal and carbon / graphite, the piston receiving a spongy open-pore carbon / graphite structure through which channels pass.
  • the open-pore carbon / graphite structure and the channels penetrated are interspersed with a light metal structure that forms the support matrix, and the light metal that forms the support matrix is pressed into the carbon / graphite structure under high pressure, which is achieved by the rapid introduction of magnesium into the carbon piston with rapid pressure build-up ,
  • the piston blank is produced by pressing two mixed powder materials.
  • the first powder material consists of 3 moles of TiO? and 7-8 mol of Al or Mg, the second consisting of AL-infiltrated carbon powder material or Mg-infiltrated carbon powder material.
  • the second powder material is mixed with the first powder material to a total weight of 10 - 90%, whereby a high-strength carbon-TiAl-Al? . ⁇ 3 structure with mutually penetrating components is created by high pressure at a temperature of 600 - 800 ° C.
  • the second powder material can consist of a material as has already been claimed in the method described above.
  • the material 2 can also consist of additional portions of non-infiltrated carbon, aluminum, magnesium, silicon, Si0 2 , Ti. Ti ⁇ 2 exist.
  • Another variant for producing a high-strength infiltrated carbon material and / or piston for the highest thermal demands and mechanical loads results according to the invention in that metals, non-metals or / and oxides, nitrides are introduced into the molten light metal before infiltration.
  • Carbides in the form of nanoparticles smaller 10-50 nm, in particular titanium, are introduced, the metals with the infiltration material penetrating into the carbon material to form the support matrix during the infiltration, and evolving in a high temperature process at 1600-2500 ° C in an inert gas atmosphere
  • the result is a high-strength piston material with the highest thermal resilience.
  • the pistons manufactured in accordance with the process in particular enable downstream emission reduction because they allow the ignition of a homogeneous mixture by compression in the HCCI combustion process, which leads to very low HC, nitrogen oxide and soot emissions with a high excess of air and almost simultaneous ignition.
  • the HCCI burning process means Homogeneous in international usage Charge compression ignition. This combustion process comes close to ideal constant combustion, is very fast and has a high degree of efficiency.
  • the so-called high-temperature combustion process (High Teperature HCCI, HT-HCCI for short) is particularly favored. Because with a counter-piston engine there is a rapid increase in the combustion chamber temperature in the area of the common room conditions to over 600-1400 degrees Celsius, depending on the piston material, fuel and compression. This causes the fuel to evaporate almost completely before ignition, also due to a very rapid increase in pressure. As a result of the synchronization phase, heat losses in the compression phase are avoided. Almost complete combustion succeeds after the first pressure increase. This leads to an almost complete avoidance of CO, HC, NOx and soot emissions.
  • This high-temperature combustion process is particularly favored by the following design and process features, which are seen in particular in the fact that the cylinder liner is lined with infiltrated carbon material, specifically in the area in which the equilibrium conditions exist.
  • the pistons can also overlap in this area.
  • gas H2; propane, butane, methane
  • alcohol can be injected before or during fuel injection to make mixture preparation more uniform and to ignite quickly (spark ignition possible).
  • annular compression and combustion chamber in the area of the constant space conditions, consisting of highly porous, infiltrated carbon material or ceramic provided with microchannels.
  • the high-temperature combustion process can be fully or partially transferred to existing engines or designs, both in the two-stroke and in the four-stroke variant.
  • infiltrated carbon pistons In contrast to the smooth and cooled pistons used in the traditional diesel process, infiltrated carbon pistons have a porous and thus a 4-10 times larger surface that contains the oxides of the infiltration metals. This large surface heats up after ignition. and emits heat to the compressed air and the fuel after injection in the compression cycle. When fuel is injected before or while equilibrium conditions are reached, an ignitable mixture is generated in such a way that some of the fuel evaporates within the heated compressed air and some of the fuel droplets appear on the heated and porous surface and evaporate immediately. After ignition (usually several short pressure pulses), the substances NOx and soot are formed in the area of the hot flame, but these take part in the combustion due to the equilibrium conditions over 16 degrees crank angle with excess oxygen and are thus largely reduced.
  • the single piston is made of a composition consisting of light metal and carbon / graphite.
  • the piston as such has a sponge-like open-pore carbon structure that is penetrated by channels.
  • the open-pore carbon structures and the interspersed channels are offset by a light metal structure that forms a support matrix.
  • the light metal content is up to 60%.
  • To manufacture the piston the light metal forming the support matrix is pressed into the carbon / graphite structure under high pressure.
  • the light metal carbon piston according to the invention has an up to 3% less weight than conventional light metal pistons, which has a positive effect on smooth running of the engine. The reduced dead weight not only reduces the oscillating masses, but also improves the engine's own dynamics, economy and performance.
  • Liquid light metal is pressed under high pressure into a sponge-like open-pore carbon / graphite structure, which is traversed by the channels that absorb the load.
  • This light metal forms a load-bearing and force-distributing structure, which makes it possible due to the higher strength of light metal and the lower specific weight of graphite. to produce a high-strength, self-lubricating piston for internal combustion engines.
  • the piston is prevented from seizing, since its high temperature resistance can withstand extremely high thermal loads because the specific expansion coefficient of the material is very low.
  • the piston heads forming the combustion chamber are trough-shaped.
  • the combustion takes place within the two piston bowls that form the combustion chamber.
  • the fuel is evaporated on the trough-shaped piston surface and at the same time mixes with the compressed combustion air by means of a fast-moving air vortex.
  • the fuel-air mixture ignites during the synchronization phase.
  • the compression ratios range from 1:12 to 1:25.
  • the fuel is injected using a nozzle, the injection pressure being between 60 and 180 bar.
  • the design of the piston means that the counter-piston engine can be operated using a new type of combustion process. Because the use of carbon pistons, which have a support matrix made of light metal and have a high heat storage capacity, the fuel is subjected to an extremely high temperature on the uncooled, porous piston surface, as is known in the art, during the synchronization phase of the pistons that it evaporates and at the same time is mixed completely homogeneously with the combustion air by a fast-moving air vortex. The residual gas in the piston bowls and in the cylinder is used for Temperature increase and at the same time to reduce pollutants. A separate exhaust gas recirculation is therefore not necessary.
  • the fuel / air mixture preferably ignites explosively during the synchronization phase. It is therefore a compression-ignition gasoline engine.
  • the compression ratios are in the range of a compression of 1:12 to 1:14, which corresponds to a compression pressure of approx. 30 bar.
  • the peak combustion pressure is over 150 bar.
  • gasified fuel can be supplied via the purge air for use in combined heat and power with increased heat requirements.
  • the flushed fuel-air mixture ignites due to the exhaust gas temperature in the afterburning chamber, which is optionally installed downstream of the engine. This afterburner is also used as an exhaust aftertreatment system. In it, the remaining fuel particles and soot particles are burned by increasing the temperature of the exhaust gas.
  • combustion takes place within the two piston bowls. Touching the fuel gas with the cylinder outer wall is largely avoided, so that the temperature transition to the liner is prevented. Since the combustion does not take place relatively slowly within several degrees of the crankshaft angle, as in the diesel process, but rather explosively with the simultaneous ignition of all fuel molecules, higher engine speeds can be achieved. The rapid, explosive combustion in the combustion chamber and thorough mixing and evaporation of the fuel prevent soot formation.
  • the invention also relates to a piston for internal combustion engines such as a counter-piston engine and / or a two-stroke or four-stroke engine, the single piston being made from a composition consisting of light metal and carbon / graphite, and the piston having a spongy open-pore carbon / graphite structure which is interspersed with channels.
  • the open-pore carbon / graphite structure, as well as the channels penetrated, are offset by a light metal structure forming a support matrix, the support matrix being formed by the shock-like introduction of magnesium into the carbon piston.
  • a highly porous piston and Bennau surface is formed by annealing and oxidation at a high temperature. In advanced training, the enlarged Porous piston combustion chamber surface introduced catalyst metals and / or catalyst oxides.
  • the only figure shows a partially sectioned side view in a schematic representation of a counter-piston engine 1.
  • the pistons 2 and 3 in a liner 4 take the position that the two piston heads 5 and 6 come into abutment, the trough-shaped piston heads 5 and 6 form the combustion chamber 7 shaped like a lens.
  • the fuel not shown briefly earlier, has already been injected by means of a peg nozzle 8.
  • the fuel in this room ignites during the synchronism phase, in particular the piston 2, which is located at top dead center, moves in the direction of arrow 5, and the piston 3 lags behind by a certain amount.
  • the synchronization phase is ended when the piston 3 has reached its top dead center.
  • the counter-piston engine 1 in the manner of a two-stroke engine, consists of at least two pistons 2 and 3, which are formed in two axially aligned cylinder spaces 9 and 10 by means of the liner 4.
  • the individual pistons 2 and 3 consist of a composition consisting of light metal and carbon / graphite. It is not shown here that the piston 2, 3 has a sponge-like open-pore carbon structure which is penetrated by channels.
  • the open-pore carbon structure and the penetrating channels are offset by a light metal structure that forms a support matrix.
  • the light metal portion takes up about 60. The light metal forming the support matrix is pressed into the carbon / graphite structure under high pressure.
  • the part essential for the combustion process forms the piston heads 5 and 6 forming the combustion chamber 7, each of which is trough-shaped, so that a quasi lenticular combustion chamber 7 forms in the synchronous phase, as described above.
  • the fuel evaporates on piston crowns 5 and 6, while at the same time the evaporating fuel is completely homogeneous with the combustion air mixed, so that the explosion-like ignition occurs during the synchronization phase, which triggers the work cycle in particular.
  • the piston surfaces 5.2 and 6.2 are not cooled, so that extremely high temperatures develop.
  • the residual gas in the piston depressions 5.2 and 6.2 can be used to increase the temperature and the temperature increase can result in a reduction in pollutants, since there are no hot-cold zones in the phase of Uniform combustion are trained
  • An internal exhaust gas recirculation can be provided, the explosion-like compression ignition taking place during the synchronization phase of the pistons 5 and 6. Furthermore, a fuel-air mixture that has been flushed over, not shown in more detail, can be used in an afterburning chamber for exhaust gas aftertreatment and heat recovery.
  • the newly developed light metal carbon pistons have up to 30% less weight than conventional light metal pistons, which has a positive effect on the smooth running of the engine.
  • the reduced dead weight not only reduces the oscillating masses, but also the momentum. Improved engine economy and performance. Liquid light metal is pressed under high pressure into a sponge-like open-pore carbon / graphite structure, which is traversed by the channels that absorb the load forces.
  • This light metal forms a load-bearing and force-distributing structure, which makes it possible, due to the higher strength of light metal and the lower specific weight of graphite, to produce a high-strength, self-lubricating piston 2, 3 for internal combustion engines, which at the same time prevents the piston 2, 3 from seizing because its high temperature resistance can withstand extremely high thermal loads.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren insbesondere eines Gegenkolbenmotors nach Art eines Zweitaktmotors mit wenigstens zwei Kolben oder für Zweitaktund Viertaktmotoren. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die einzelnen Kolben (2) und (3) aus einer Zusammensetzung gefertigt werden, die aus Leichtmetall und Kohlenstoff/Grafit besteht, und der Kolben (2, 3) eine schwammartige offenporige Kohlenstoff-/Grafitstruktur erhält, die von Kanälen durchsetzt wird, wobei die offenporige Kohlenstoff-/Grafitstruktur, sowie die durchsetzten Kanäle mit einer als Stützmatrix bildenden Leichtmetallstruktur durchsetzt werden, und wobei das die Stützmatrix bildende Leichtmetall unter hohem Druck in die Kohlenstoff-­/Grafitstruktur eingepresst wird, und wobei dies durch schockartiges Einbringen von Magnesium in den Carbonkolben durch schnellen Druckaufbau erfolgt.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren insbesondere für einen Gegenkolbenmotor nach Art eines Zweitaktmotors
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren insbesondere für einen Gegenkolbenmotor nach Art eines Zweitaktmotors mit wenigstens zwei Kolben. Die Erfindung betrifft in gleicher Weise das Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Zweitakt- und Viertaktmotoren. Daneben betrifft die Erfindung auch einen Kolben als solches für Verbrennungsmotoren.
Der Gegenkolbenmotor ist ein längsgespülter Zweitaktmotor bei dem die Gase beim Gaswechsel in Richtung der Zylinderachse strömen. Hierbei arbeiten in einem Zylinder jeweils zwei Kolben in entgegengesetzter Richtung. Während des Kompressionstaktes bewegen sich die Kolben aufeinander zu, wobei während des Arbeitstaktes sich die Kolben von einander weg bewegen. Die Böden beider Kolben bilden zusammen mit einem Teil der Zylinderwand den Brennraum des Motors. Die Zusammenführung der Verbrennungsluft und der Gase, wie auch die Abfuhrung der Abgase wird durch von den Kolben freigegebenen Schlitzreihen bewerkstelligt
Ein derartiger Motor ist aus der DE 19821074 AI bekannt, bei dem die Kolben mit Spulkanalen versehen sind, so dass zur Kühlung bzw Warmeabfuhr Olflussigkeit durch die Kolben strömen kann, um auf diese Weise eine konstante Warmeabfuhr am Kolben zu ermöglichen Trotz dieser Kühlung weist ein derartiger Kolben für einen Gegenkolbenmotor immer noch Nachteile auf, weil insbesondere der Kolben nach wie vor auf Grund der extrem hohen Verbrennungstemperaturen in dem Brennraum Schaden nehmen kann, und ein Fressen des Kolbens in der Laufbuchse zur Folge hat Daher ist insbesondere die Lebensdauer eines derartigen Gegenkolbenmotors beschrankt
Ein anderes Problem stellt sich bei Verbrennungsmotoren dar. wie bei den herkömmlichen Verfahren der Dieseldirekteinspπtzung, wobei hier die starke Reduktion der Emissionen (HC, nox, Rußpartikel) im Interesse der Umwelt und der Gesundheit gefordert wird Zur Losung dieses Problems ist es Stand der Technik durch Verbrennung nachgeschalteter Katalysatoren und Filter (z B N0 -Speicherkatalysator. Rußfilter) die Abgasnormen Euro 2, 3, 4 zu erfüllen. Ziel ist es jedoch sowohl in den USA und in Europa weitere Absenkung der Grenzwerte zu erreichen
So wird beim Porenbrenner (Alumimumsilikatfasern in einer Matrix aus SiN, SiC, Si) die geforderte US-Norm durch katalytische Verbrennung innerhalb der Poren bei 1200°C bereits erreicht Erste Anwendungen als Wassererhitzer und „Dampfmaschine" von Engimon (25kW thermisch, 6kW elektrisch) sind in der Erprobung Als nachteilig wird es jedoch angesehen, dass die Reduzierung der Emissionen erst in einem nachgeschalteten Prozess vorgenommen wird
So ist bekannt, dass durch Aufbringen von Platimnseln direkt auf den Kolben eine HC- und N0χ-Reduzierung beim Ottomotor erreicht werden kann Beim Dieselmotor fuhrt eine Anhebung der Zylinderwandtemperatur zwar zu einem besseren Wirkungsgrad aber auch zu schlechteren Abgaswerten Beim Ottomotor entstehen Stickoxide im Bereich der heißen Flamme, wobei sich beim Dieselmotor Stickoxide und Ruß im Bereich der heißen Flamme bilden Stickoxide und Ruß diffundieren in kältere Bereiche des Brennraumes (Kühlung von Zylinder, Zylinderkopf und Kolben) und nehmen nicht mehr an der Verbrennung teil. Diese Emissionen müssen daher nachträglich durch Katalysatoren und Partikelfilter entsorgt werden. Dem Stand der Technik entsprechend sichert es bei einer Niedertemperaturverbrennung (Zylinder. Zylinderkopf und Kolben gekühlt) niedrigste Emissionen.
Hieraus ergibt sich die der Erfindung zugrunde liegende erste Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von geeigneten Kolben bereit zu stellen, das die Möglichkeit zulässt, dass auf eine nachgeschaltete Emissionsreduzierung verzichtet werden kann.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Gegenkolbenmotor nach Art eines Zweitaktmotors derart weiter zu bilden, dessen Kolben sehr hohe Temperaturen zulassen, wobei die Lauf- und Schmiereigenschaften der Kolben gesichert sein soll. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung einen Zweitakt-Gegenkolbenmotor bereit zu stellen, der in Bezug auf die Treibstoffqualität anspruchslos ist und sich durch einen niedrigen spezifischen Verbrauch und geringen Schadstoffemissionen auszeichnet.
Die gestellten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Gegenstände, der Anspruchs 1, 2, 3, und 4, sowie den nebengeordneten Ansprüchen des Anspruchs 5 und 19 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens des erfindungsgemäßen Kolbens wird der einzelne Kolben aus einer Zusammensetzung gefertigt, die aus Leichtmetall und Kohlenstoff/Grafit besteht, wobei der Kolben eine schwammartige offenporige Kohlenstoff/Grafitstruktur erhält, die von Kanälen durchsetzt wird. Dabei wird die offenporige Kohlenstoff/Grafitstruktur sowie die durchsetzten Kanäle mit einer als Stützmatrix bildenden LeichtmetallStruktur durchsetzt, und wobei das die Stützmatrix bildende Leichtmetall unter hohem Druck in die Kohlenstoff/ Grafitstruktur eingepresst wird, welches durch schockartiges Einbringen von Magnesium in den Carbonkolben mit schnellem Druckaufbau erfolgt.
Nach einer zweiten Verfahrensvariante zur Herstellung eines hochfesten infiltrierten Karbonmaterials und/oder Kolbens für höchste ther- mische und mechanische Belastungen wird der Kolbenrohling durch Pressen von zwei vermischten Pulvermaterialien hergestellt. Dabei besteht das erste Pulvermaterial aus 3 Mol TiO? und 7-8 Mol AI bzw. Mg, wobei das zweite aus AL-infiltrierte Carbon-Pulvermaterial, bzw. aus Mg- infliltriertem Carbon-Pulvermaterial besteht. Das zweite Pulvermaterial wird hierzu dem ersten Pulvermaterial zu 10 - 90 % Gesamtgewicht zugemischt, wobei durch hohen Druck bei einer Temperatur von 600 - 800 °C eine hochfeste Carbon-TiAl-Al?.θ3-Struktur entsteht mit sich gegenseitig durchdringenden Komponenten. Das zweite Pulvermaterial kann dabei aus einem Material bestehen, wie es bereits in dem erst beschriebenen Verfahren beansprucht wurde. Das Material 2 kann auch aus zusätzlichen Anteilen von nicht-infiltriertem Carbon, Aluminium, Magnesium, Silizium, Si02, Ti . Tiθ2 bestehen.
Eine andere Variante zur Herstellung eines hochfesten infiltrierten Carbonmaterials und/oder Kolbens für höchste thermische Ansprüche und mechanische Belastungen ergibt sich erfindungsgemäß dadurch, dass in das geschmolzene Leichtmetall vor der Infiltration Metalle, Nicht-Metalle oder/und Oxyde, Nitride. Carbide in Form von Nanopartikeln kleiner =10-50 nm, insbesondere Titan eingebracht werden, wobei während der Infiltration die Metalle mit dem Infiltrationsmaterial in den Carbonwerkstoff zur Bildung der Stützmatrix eindringen, und sich in einem Hochtemperaturprozess bei 1600-2500 °C in Inertgasatmosphäre aus dem Infiltrationsmetall und den enthaltenen Komponenten eine homogene Legierung, insbesondere Titan-Aluminium, bildet. Wie dies bereits bei dem Verfahren 1 beschrieben wurde. Im Ergebnis entsteht ein hochfestes Kolbenmaterial mit höchster thermischer Belastbarkeit.
In Weiterbildung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass die Bildung einer hochporösen Kolben- und Brennraumoberfläche durch Ausglühen oder Oxidation bei hoher Temperatur erfolgt, wobei gleichzeitig nacheinander Katalysatormetalle und/ Katalysatoroxyde in die Oberfläche eingebracht werden.
Die nach den Verfahren gefertigten Kolben ermöglichen im Besonderen die nachgeschaltete Emissionsreduzierung, weil sie die Zündung eines homogenen Gemisches durch Kompression im HCCI-Brennverfahren zulassen, was bei hohem Luftüberschuss und fast gleichzeitiger Zündung zu sehr niedrigen HC-, Stickoxid- und Rußemissionen führt. Das HCCI- Brennverfahren bedeutet im internationalen Sprachgebrauch Homogeneous Charge Compression Ignition. Dieses Brennverfahren kommt der idealen Gleichraumverbrennung nahe, ist sehr schnell und hat einen hohen Wirkungsgrad.
Aufgrund dieser Verfahrensmerkmale zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kolbens wird insbesondere das so genannte Hoch-Temperatur Brennverfahren (High Teperature HCCI. kurz HT-HCCI) begünstigt. Denn bei einem Gegenkolbenmotor ist ein schnelles Anheben der Brennraumtemperatur im Bereich der Gleichraumbedingungen auf über 600-1400 Grad Celsius, je nach Kolbenmaterial , Brennstoff und Verdichtung gegeben. Dadurch erfolgt eine nahezu vollständige Verdampfung des Brennstoffes vor der Zündung bedingt auch durch einen sehr schnellen Druckanstieg. Infolge der Gleichlaufphase werden Wärmeverluste in der Kompressionsphase vermieden. Es gelingt eine nahezu vollständige Verbrennung nach dem ersten Druckanstieg. Dies führt dazu, dass eine nahezu vollständige Vermeidung von CO-, HC-, NOx- und Rußemissionen erfolgt. Dieses Hoch-Temperatur Brennverfahren wird insbesondere durch die folgenden Konstruktions- und Verfahrensmerkmale begünstigt, die insbesondere darin gesehen werden, dass die Zylinderbuchse mit infiltriertem Carbonmaterial ausgekleidet ist und zwar im Bereich in dem die Gleichraumbedingungen gegeben sind. In diesem Bereich können auch die Kolben überlappen. Zudem kann Gas (H2; Propan, Butan, Methan) oder Alkohol vor oder während der Brennstoffeinspritzung zur Vergleichmäßigung der Gemischaufbereitung und zum schnellen Durchzünden (Fremdzündung möglich) eingespritzt werden.
Weiter wird vorgeschlagen, die Verwendung eines ringförmigen Verdich- tungs- und Brennraumes im Bereich der Gleichraumbedingungen, bestehend aus hochporösen, mit Mikrokanälen versehenen infiltriertem Carbonmaterial oder Keramik. Das Hoch-Temperatur Brennverfahren kann sinngemäß vollständig oder teilweise auf bestehende Motoren oder Konstruktionen, sowohl in der Zweitakt- als auch in der Viertaktvariante, übertragen werden.
Bei der Verwendung einer vergrößerten hochporösen Kolben- und Brennraumoberfläche durch Ausglühen und Oxidation bei hoher Temperatur und durch die Verwendung von Katalysatormetallen und/oder Katalysatoroxyden ergibt sich eine vergrößerte hochporöse Kolben- und Brennraumoberfläche, die sich insbesondere begünstigend auswirkt zur Reduzierung der Emissionen, wie CO-, HC-, NOx und Ruß. Durch Verwendung von Carbonkolben, insbesondere von 1eichtmetall infiltrierten (AI,Mg), werden im Gegenkolbenmotor schon bei Verdichtungsverhältnissen von 1:13 Zünddrücke von 100 bar erreicht, wobei Gleichraumbedingungen über einen KurbelWinkel von ca. 16 Grad aufrecht erhalten werden. Im Gegensatz zu beim traditionellen Diesel verfahren verwendeten glatten und gekühlten Kolben weisen infiltrierte Carbonkolben eine poröse und damit eine 4-10 mal größere Oberfläche auf, die die Oxyde der Infil- trationsetalle enthält. Diese große Oberfläche heizt sich nach erfolgter Zündung auf. und gibt im Verdichtungstakt Wärme an die sich verdichtende Luft und den Kraftstoff nach Einspritzung ab. Bei der Einspritzung von Brennstoff vor oder während erreichen der Gleichraumbedingungen wird ein zündfähiges Gemisch in der Weise erzeugt, dass ein Teil des Brennstoffes innerhalb der erhitzten verdichteten Luft verdampft und ein Teil der Brennstofftröpfchen auf die erhitzte und poröse Oberfläche auftritt und sofort verdampft. Nach der Zündung (meist mehrere kurze Druckimpulse) entstehen im Bereich der heißen Flamme unter anderem die Stoffe NOx und Ruß, die aber hier aufgrund der Gleichraumbedingungen über 16 Grad Kurbelwinkel bei Sauerstoff- überschuss an der Verbrennung teilnehmen und somit weitgehend reduziert werden. Aufgrund ihrer hohen Eigengeschwindigkeit stoßen die Moleküle und Partikel zwischen 1-10 mal mit der heißen porösen Kol- benoberflache zusammen und werden je nach Beschaffenheit des Auftreffortes (Grafit, Metall. Metalloxyd) katalytisch, therisch-kataly- tisch, oxidativ (wie in einem Katalysator) mit den entsprechenden Katalysatoren in Wechselwirkung treten, was zu einer weiteren Reduzierung der Schadstoffe und Verbesserung der Wirkungsgrade beiträgt. Kalte Bereiche des Brennraumes werden zum großen Teil in dieser Phase der Verbrennung vermieden.
Der einzelne Kolben ist aus einer Zusammensetzung gefertigt, die aus Leichtmetall und Kohlenstoff/Grafit besteht. Der Kolben als solches weist dabei eine schwammartige offenporige KohlenstoffStruktur auf, die von Kanälen durchsetzt ist. Dabei sind die offenporigen KohlenstoffStrukturen sowie die durchsetzten Kanäle mit einer Stützmatrix bildenden LeichtmetallStruktur versetzt. Der Leichtmetallanteil beträgt dabei bis zu 60 %. Zur Herstellung des Kolbens wird dabei unter hohem Druck in die Kohlenstoff/Grafitstruktur das die Stützmatrix bildende Leichtmetall eingepresst. Der erfindungsgemäße Leichtmetallkohlenstoffkolben weist im Vergleich zu herkömmlichen Leichtmetallkolben ein bis zu 3Q% reduziertes Eigengewicht auf, welches sich positiv auf die Motorlaufruhe auswirkt. Durch das reduzierte Eigengewicht werden nicht nur die oszillierenden Massen verringert, sondern auch die Eigendynamik, Sparsamkeit und Leistung des Motors verbessert. In eine schwammartige offenporige Kohlenstoff/Grafitstruktur, welche mit die Belastungskräfte aufnehmenden Kanälen durchzogen ist, wird unter hohem Druck flüssiges Leichtmetall eingepresst. Dieses Leichtmetall bildet eine tragende und kräfteverteilende Struktur, welche es ermöglicht, aufgrund der höheren Festigkeit von Leichtmetall und des geringeren spezifischen Gewichtes von Grafit. einen hochfesten selbstschmierenden Kolben für Verbrennungskraftmaschinen herzustellen Somit wird zugleich ein Fressen des Kolbens vermieden, da seine hohe Temperaturbeständigkeit extrem hohen thermischen Belastungen standhalten kann, weil der spezifische Ausdehnungskoeffizient des Materials sehr gering ist.
In Weiterbildung der Erfindung sind die den Brennraum bildenden Kol- benböden muldenförmig ausgebildet. Dabei erfolgt die Verbrennung innerhalb der beiden den Brennraum bildenden aufeinander liegenden Kol- benmulden. Nach einer besonders vorteil aften Ausgestaltung der Erfindung wird während der Gleichlaufphase der sich in der Laufbuchse bewegenden Kolben der Treibstoff auf der muldenförmigen Kolbenober- flache verdampft und vermischt sich gleichzeitig durch einen schnell laufenden Luftwirbel mit der verdichteten Verbrennungsluft. Dabei zündet das Treibstoffluftgemisch während der Gleichlaufphase. Die Verdichtungsverhältnisse liegen dabei im Bereich von 1:12 bis 1:25. Die Treibstoffeinspritzung erfolgt mittels einer Zapfendüse, wobei der Einspritzdruck zwischen 60 und 180 bar liegt.
Aufgrund der Ausbildung des Kolbens wird erreicht, dass der Gegenkolbenmotor mit einem neuartigen Brennverfahren betrieben werden kann. Denn durch den Einsatz von Kohlenstoffkolben, die eine Stützmatrix aus Leichtmetall besitzen und eine hohe Wärmespeicherfähigkeit haben, wird der Treibstoff während der Gleichlaufphase der Kolben auf der nicht gekühlten, porösen Kolbenoberflache, wie es Stand der Technik ist, mit einer extrem hohen Temperatur beaufschlagt, so dass er verdampft und gleichzeitig durch einen schnell laufenden Luftwirbel vollkommen homogen mit der Verbrennungsluft vermischt wird. Das in den Kolbenmulden und im Zylinder befindliche Restgas dient dabei zur Temperaturerhöhung und gleichzeitig zur Schadstoffminderung. Eine separate Abgasrückführung ist daher nicht erforderlich.
Das Treibstoffluftgemisch zündet vorzugsweise während der Gleichlaufphase explosionsartig. Es handelt sich somit um einen kopressionsge- zündeten Ottomotor. Die Verdichtungsverhältnisse liegen hierbei im Bereich einer -Verdichtung von 1:12 bis 1:14 , welches einem Kompressionsdruck von ca.30 bar entspricht. Der Verbrennungsspitzendruck liegt dabei über 150 bar. Zusätzlich kann für die Anwendung bei Kraftwärmekopplung bei erhöhtem Wärmebedarf vergaster Treibstoff über die Spülluft zugeführt werden. Das überspülte Treibstoffluftgemisch zündet durch die Abgastemperatur in der dem Motor optional nachgeschalteten Nachbrennkammer. Diese Nachbrennkammer wird gleichzeitig als Abgasnachbehandlungsanlage genutzt. In ihr werden durch Temperaturerhöhung des Abgases die noch anfallenden restlichen Treibstoff- partikel sowie Rußpartikel verbrannt.
Im Motor findet die Verbrennung innerhalb der beiden Kolbenmulden statt. Eine Berührung des Brenngases mit der Zylinderaußenwand wird dabei weitgehend vermieden, so dass der Temperaturübergang zur Lauf- buchse unterbunden ist. Da die Verbrennung nicht wie im Dieselverfahren relativ langsam innerhalb von mehreren Grad Kurbelwellenwinkel, sondern explosionsartig bei gleichzeitiger Zündung aller Treibstoffmoleküle erfolgt, können höhere Drehzahlen erreicht werden. Durch die schnelle explosive Verbrennung im Brennraum und gute Durchmischung sowie Verdampfung des Kraftstoffes wird Rußbildung vermieden.
Die Erfindung betrifft auch einen Kolben für Verbrennungsmotoren wie Gegenkolbenmotor und/oder einen Zweitakt- oder Viertaktmotor, wobei der einzelne Kolben aus einer Zusammensetzung gefertigt ist, die aus Leichtmetall und Kohlenstoff/Grafit besteht, und wobei der Kolben eine schwammartige offenporige Kohlenstoff-/ Grafitstruktur aufweist, die von Kanälen durchsetzt ist. Die offenporige Kohlenstoff-/Grafit- struktur, sowie die durchsetzten Kanäle sind mit einer als Stützmatrix bildenden LeichtmetallStruktur versetzt, wobei die Bildung der Stützmatrix durch schockartiges Einbringen von Magnesium in den Carbonkolben erfolgt. Die Bildung einer hochporösen Kolben- und Benn- rauoberflache erfolgt hierbei durch Ausglühen und durch Oxidation bei hoher Temperatur. In Weiterbildung sind in die vergrößerte hoch- poröse Kolben-Brennraumoberfläche Katalysatoretalle und/oder Katalysatoroxide eingebracht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der nachstehenden einzigen Figur näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt in der teilweise geschnittenen Seitenansicht in schematischer Darstellung einen Gegenkolbenmotor 1. In der dargestellten Situation nehmen die Kolben 2 und 3 in einer Laufbuchse 4 die Lage ein, dass die beiden Kolbenböden 5 und 6 in Angrenzung kommen, wobei die muldenförmig ausgebildeten Kolbenböden 5 und 6 den nach Art einer Linse geformten Brennraum 7 bilden. In dem Brennraum 7 ist bereits der kurz vorher nicht näher dargestellte Treibstoff mittels einer Zapfendüse 8 eingespritzt worden. Der in diesem Raum befindliche Treibstoff zündet während der Gleichlaufphase, wobei insbesondere der Kolben 2, der sich am oberen Totpunkt befindet, sich in Pfeil richtung 5 bewegt, und der Kolben 3 um einen bestimmten Betrag nacheilt. Die Gleichlaufphase ist dann beendet, wenn der Kolben 3 seinen oberen Totpunkt erreicht hat.
Wie schon gesagt, besteht der Gegenkolbenmotor 1 nach Art eines Zweitaktmotors aus mindestens zwei Kolben 2 und 3, die in zwei axial zueinander ausgerichteten Zylinderräumen 9 und 10 mittels der Laufbuchse 4 gebildet werden. Dabei besteht der einzelne Kolben 2 und 3 aus einer Zusammensetzung, die aus Leichtmetall und Kohlenstoff/Grafit besteht. Nicht näher dargestellt ist hierbei, dass der Kolben 2, 3 eine schwammartige offenporige Kohlenstruktur aufweist, die von Kanälen durchsetzt ist. Die offenporige Kohlenstruktur sowie die durchsetzenden Kanäle sind mit einer als Stützmatrix bildenden LeichtmetallStruktur versetzt. Dabei nimmt der Leichtmetallanteil etwa bis zu 60 ein. Das die Stützmatrix bildende Leichtmetall wird unter hohem Druck in die Kohlenstoff/Grafitstruktur eingepresst.
Der für das Brennverfahren wesentliche Teil bildet die den Brennraum 7 bildenden Kolbenböden 5 und 6, die jeweils muldenförmig ausgebildet sind, so dass sich ein quasi linsenförmiger Brennraum 7 in der Gleichlaufphase, wie oben beschrieben, bildet. In der Gleichlaufphase der Kolben 2 und 3 verdampft der Treibstoff auf den Kolbenböden 5 und 6, wobei gleichzeitig durch einen schnell laufenden Luftwirbel sich der verdampfende Treibstoff vollkommen homogen mit der Verbrennungs- luft vermischt, so dass während der Gleichlaufphase die explosionsartige Zündung erfolgt, die insbesondere den Arbeitstakt auslöst.
Dabei werden die Kolbenoberflachen 5.2 und 6.2 nicht gekühlt, so dass sich extrem hohe Temperaturen entwickeln. Infolge dessen, dass die Kolbenböden 5.1 und 6.1 mit hoher Temperatur beaufschlagt werden können, kann in den Kolbenmulden 5.2 und 6.2 das darin befindliche Restgas zur Temperaturerhöhung herangezogen werden und durch die Temperaturerhöhung kann eine Schadstoffminderung erzielt werden, da keine Heiß-Kaltzonen in der Phase der Gleichraumverbrennung ausgebildet werden
Eine innere Abgasrückführung kann vorgesehen sein, wobei die explosionsartige Kompressionszündung während der Gleichlaufphase der Kolben 5 und 6 erfolgt. Weiter kann, nicht näher dargestellt, überspültes Treibstoffluftgemisch, in einer Nachbrennkammer zur Abgasnachbehandlung und Wärmegewinnung genutzt werden.
Die neu entwickelten Leichtmetallkohlenstoffkolben weisen im Vergleich zu herkömmlichen Leichtmetallkolben ein bis zu 30% reduziertes Eigengewicht auf, welches sich positiv auf die Motorlaufruhe auswirkt. Durch das reduzierte Eigengewicht werden nicht nur die oszillierenden Massen verringert, sondern auch die Eigendynamik. Sparsamkeit und Leistung des Motors verbessert. In eine schwammartige offenporige Kohlenstoff/Grafitstruktur, welche mit die Belastungskräfte aufnehmenden Kanälen durchzogen ist, wird unter hohem Druck flüssiges Leichtmetall eingepresst. Dieses Leichtmetall bildet eine tragende und kräfteverteilende Struktur, welches ermöglicht, aufgrund der höheren Festigkeit von Leichtmetall und des geringeren spezifischen Gewichtes von Grafit, einen hochfesten selbstschmierenden Kolben 2, 3 für Verbrennungskraftmaschinen herzustellen, womit zugleich ein Fressen des Kolbens 2 ,3 vermieden wird, da seine hohe Temperaturbeständigkeit extrem hohen thermischen Belastungen standhalten kann.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren insbesondere eines Gegenkolbenmotors nach Art eines Zweitaktmotors mit wenigstens zwei Kolben oder für Zweitakt- und Viertaktmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kolben (2) und (3) aus einer Zusammensetzung gefertigt werden, die aus Leichtmetall und Kohlenstoff/Grafit besteht, und der Kolben (2, 3) eine schwammartige offenporige Kohlenstoff-/ Grafitstruktur erhält, die von Kanälen durchsetzt wird, wobei
die offenporige Kohlenstoff-/Grafitstruktur, sowie die durchsetzten Kanäle mit einer als Stutzmatrix bildenden LeichtmetallStruktur durchsetzt werden,
wobei das die Stutzmatrix bildende Leichtmetall unter hohem Druck in die Kohlenstoff-/Grafιtstruktur eingepresst wird,
und dies durch schockartiges Einbringen von Magnesium in den Carbonkolben durch schnellen Druckaufbau erfolgt
Verfahren insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines hochfesten infiltrierten Carbonmate- πals und/oder Kolbens (2, 3) für höchste thermische und mechanische Belastungen der Kolbenrohling durch Pressen von zwei vermischten Pulvermateπalien hergestellt wird,
wobei das erste Pulvermateπal aus 3 Mol TιÜ2 und 7-8 Mol AI bzw Mg besteht. und das zweite aus AL-infiltriertem Carbon-Pulvermaterial, bzw. aus Mg-infiltriertem Carbon-Pulvermaterial besteht, und wobei das zweite Pulvermaterial dem ersten Pulvermaterial zu 10 - 90 % Gesamtgewicht zugemischt wird, und wobei durch hohen Druck und einer Temperatur von 600 - 800 °C sich eine hochfeste Carbon-TiAl-Al2θ3-Struktur ergibt mit sich gegenseitig durchdringenden Komponenten.
3. Verfahren insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines hochfesten infiltrierten Carbonmaterials und/oder Kolbens (2, 3) für höchste thermische und mechanische Belastungen in das geschmolzene Leichtmetall vor der Infiltration Metalle, Nichtmetalle oder/und Oxide, Nitride, Carbide in Form von Nano- partikeln <= 10-50 nm insbesondere Titan eingebracht werden, und wobei während der Infiltration die Metalle mit dem Infiltrationsmetall in den Carbonwerkstoff zur Bildung der Stützmatrix eindringen; und sich in einem Hochtemperaturprozeß bei 1600 - 2500 °C sich in Inertgasatmosphäre aus dem Infiltrationsmetall und den enthaltenen Komponenten eine homogene Legierung insbesondere TiAl bildet.
4. Verfahren insbesondere nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass Nanopartikel entsprechend Verfahren 3 vor der Infiltration mit Leichtmetall mittels einer Trägerflüssigkeit in die offenporige Kohlenstoff-/Grafitstruktur eingebracht werden, die Trägerflüssigkeit ausgedampft wird und nach der Infiltration mit (AL.Mg) sich in einem Hochtemperaturprozess bei 1600 -2500°C in Inertgasatmosphäre sich eine homogene Legierung aus dem Infiltrationsmaterial und den eingebrachten Komponenten bildet.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2. 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung einer hochporösen Kolben- und Bennraumoberfl che durch Ausglühen und oder Oxidation bei hoher Temperatur erfolgt, wobei gleichzeitig oder nacheinander Katalysatormetalle und/ oder Katalysatoroxide in die Oberfläche eingebracht werden.
6. Gegenkolbenmotor nach Art eines Zweitaktmotors hergestellt nach den Verfahren mit mindestens zwei Kolben, die in zwei axial zueinander ausgerichteten Zylinderräumen eine Brennkammer bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der einzelne Kolben (2) und (3) aus einer Zusammensetzung gefertigt ist, die aus Leichtmetall und Kohlenstoff/Grafit besteht.
7. Gegenkolbenmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2, 3) eine schwammartige offenporige Kohlenstoff-/ Grafitstruktur aufweist, die von Kanälen durchsetzt ist.
8. Gegenkolbenmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die offenporige Kohlenstoff-/Grafitstruktur, sowie die durchsetzten Kanäle mit einer als Stützmatrix bildenden LeichtmetallStruktur versetzt sind.
9. Gegenkolbenmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtmetallanteil etwa bis zu 60% einnimmt.
10.Gegenkolbenmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das die Stützmatrix bildende Leichtmetall unter hohem Druck in die Kohlenstoff-/Grafitstruktur eingepresst ist.
11.Gegenkolbenmotor nach den Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung der Stützmatrix durch schockartiges Einbringen von Magnesium in den Carbonkolben erfolgt.
12.Gegenkolbenmotor nach einem der Ansprüche 5 bis 9. dadurch gekennzeichnet, dass die den Brennraum (7) bildenden Kolbenbö- den (5) und (6) muldenförmig ausgebildet sind.
13.Gegenkolbenmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung einer hochporösen Kolben- und Bennraumoberflache durch Ausglühen und durch Oxidation bei hoher Temperatur erfolgt.
14.Gegenkolbenmotor nach Anspruch 12. dadurch gekennzeichnet, dass in die vergrößerte hochporöse Kolben- Brennraumoberfläche Katalysatormetalle und /oder Katalysatoroxide eingebracht sind.
15.Gegenkolbenmotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung zwischen den beiden Kolben (2) und (3) erfolgt.
16.Gegenkolbenmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass während der Gleichlaufphase der Treibstoff auf der Kolbenoberfläche (5.2) und (6.2) verdampft und sich gleichzeitig durch einen schnell laufenden Luftwirbel mit der verdichteten Verbrennungsluft vermischt.
17.Gegenkolbenmotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibstoffluftgemisch nahezu vollständig verbrennt.
18.Gegenkolbenmotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis im Bereich von 1:12 bis 1:14 liegt.
19.Gegenkolbenmotor nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibstoffeinspritzung mit einem Einspritzdruck zwischen 60 und 180 bar liegt.
20.Kolben für Verbrennungsmotoren wie für einen Gegenkolbenmotor und/oder einen Zweitakt oder Viertaktmotor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der einzelne Kolben (2,3) aus einer Zusammensetzung gefertigt ist, die aus Leichtmetall und Kohlenstoff/Grafit besteht, wobei der Kolben (2, 3) eine schwammartige offenporige Kohlenstoff-/ Grafitstruktur aufweist, die von Kanälen durchsetzt ist, und wobei die offenporige Kohlenstoff- /Grafitstruktur, sowie die durchsetzten Kanäle mit einer als Stützmatrix bildenden LeichtmetallStruktur versetzt sind, wobei die Bildung der Stützmatrix durch schockartiges Einbringen von Magnesium in den Carbonkolben erfolgt.
21.Kolben nach Anspruch 19. dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung einer hochporösen Kolben- und Bennraumoberflache durch Ausglühen und durch Oxidation bei hoher Temperatur erfolgt.
22.Kolben nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in die vergrößerte hochporöse Kolben-Brennraumoberfläche Katalysatormetalle und /oder Katalysatoroxide eingebracht sind.
23.Hoch-Temperatur HCCI Brennverfahren kurz HT-HCCI Brennverfahren ( High Temperature Homogeneous Charge Compression Ignition ) insbesondere nach einem der Ansprüche 1 - 5 und 6 - 22 dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumtemperatur vor der Zündung sehr schnell auf 600- 1400°C je nach Kolbenmaterial . Brennstoff und Verdichtung angehoben wird, der Brennstoff vor der Zündung nahezu vollständig verdampft,
Wärmeverluste in der Kompressionsphase vermieden werden, eine nahezu vollständige und gleichzeitige Verbrennung nach dem ersten Druckanstieg erfolgt,
CO-, HC-, NOx- und Rußemissionen nahezu vollständig vermieden werden, das Verfahren im Gegenkolbenmotor unter Gleichraumbedingungen abläuft und damit höchsten Wirkungsgrad sichert, im Gegenkolbenmotor die Verbrennung am Ende der Gleichraumphase abgeschlossen ist.
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