DE2804562A1

DE2804562A1 - Mehrzylindrige brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2804562A1
Application number: DE19782804562
Authority: DE
Inventors: Konrad Ing Grad Barnert; Ingolf Ing Grad Loehner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1978-02-03
Filing date: 1978-02-03
Publication date: 1979-08-09

Description

VOLKSWAGENWERK ²^ OA

AKTIENGESELLSCHAFT 5180 Wolfsburg

Unsere Zeichen: K 2478
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Mehrzylindrige Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit einem jedem Zylinder zugeordneten Brennraum, in dem ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff gezündet und verbrannt wird.

Bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Brennräumen von Brennkraftmaschinen entstehen bekanntlich die Umwelt belastende Schadstoffe, wie vor allem Kohlenmonoxyd, Kohlenwasserstoffe und Stickoxyde. Bei der Beseitigung oder Verringerung dieser Schadstoffe sind verschiedene Maßnahmen bekannt, die entweder auf den Verbrennungsvorgang selbst im Sinne einer verringerten Entstehung dieser Stoffe einwirken oder die durch nachträgliche Behandlung der aus den Brennräumen abgeführten Abgase die bereits entstandenen Schadstoffe in unschädliche Stoffe umzuwandeln versuchen.

Besondere Schwierigkeiten bereitet dabei die Beseitigung oder Verhinderung der Stickoxyde (N0_v), und dies insbesondere bei

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Vorsitzender Vorstand: Toni Sdimiidcer, Vorsitzender - Horst Backsmann · Prot. Dr. techn. Ernst Fiale · Dr. jur. Peter Frerk

des Aufsichtsrals: Günter Hartwich · Horst Münzner · Dr. rer.pol. Werner P. Schmidt Gottlieb M. Strobl · Prof. Dr. rer. pol. Friedrich Thomee

Hans Birnbaum Sitz der Gesellschaft: Wolfsburg Amtsgericht Wolfsburg HRB

solchen Brennkraftmaschinen, die, wie beispielsweise die luftverdichtenden, selbstsündenden Dieselmotoren, mit relativ kraftstoffarmen beziehungsweise luft- und sauerstoffreichen Gemischen betrieben -.-,'erden. Eine ansich bekannte nachträgliche Beseitigung der Stiokozyde ist nämlich mit Hilfe von Katalysatoren nur bei reduzierender Atmosphäre, das heißt bei Sauerstoff- beziehungsweise Luftmangel, möglich. Eine andere bekannte Methode zur Verringerung der Stickoxydbildung durch Rückführung eines Teils der Abgase in die Brennräume kann zwar benutzt werden; jedoch bringt sie besonders bei Dieselmotoren andere Nachteile, wie Leistungseinbußen sowie erhöhte Rußbildung und dergleichen mit sich.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, bei Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art, insbesondere bei mit relativ mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen betriebenen Brennkraftmaschinen, die Stickoxydbildung wirksam und ohne Inkaufnahme größerer Nachteile zu verringern.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß die Brennraumwände wenigstens in den Bereichen, in denen das Gemisch aus Luft und Kraftstoff relativ fett ist (/\_ ü 1), eine Beschichtung mit einem die bei der Verbrennung entstehenden Stickoxyde reduzierenden, katalytischen Material aufweisen. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß auch bei insgesamt mager betriebenen Brennkraftmaschinen bestimmte Bereiche im Brennraum eine redi'.zierende, das heißt luftarme oder kraftstoff reiche, Atmosphäre besitzen und daß bei Vorhandensein von katalytisch im Sinne einer Reduzierung der Stickoxyde wirksamen Stoffen die Bildung der Stickoxyde an ihrer Entstehungsstelle unterbunden,beziehungsweise die bereits entstandenen Stickoxyde beseitigt werden können. Zweckmäßigerweise kann dabei das die Beschichtung bildende katalytische Material aus einem oder mehreren Edelmetallen, wie Platin oder Rodium, bestehen, die als Katalysatoren zur Reduzierung von Stiakoxyden in luftarmer Atmosphäre bekannt s:\nd. Bei l^aftverdick>r:iien, selbstzündenden Brennkraftmaschin«: :it ϊ;:-3,ΐζζ vOffeinspriisang sollen äji-ig^sns die im

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Bereich des Kraftstoffeinspritzstahls liegenden Zonen der Brennraumwände mit dieser katalytischen Beschichtung versehen sein, da dort mit Sicherheit auch bei solchen Brennkraftmaschinen, die mit hohem Luftüberschuß "betrieben werden, örtlich begrenzt kraftstoffreiche beziehungsweise luftarme Gebiete vorhanden sind, in denen eine Reduzierung der Stickoxyde durch Katalysatoren möglich ist.

Ein weiterer Torschlag der Erfindung geht dahin, die Brennraumwände mit einem keramischen Material auszukleiden, das in den die katalytische Beschichtung aufweisenden Brennraumwandpartien als Träger für diese Beschichtung dient. Durch die von der Erfindung vorgeschlagene keramische Auskleidung der Brennraumwände wird nicht nur ein vorteilhafter Träger für die katalytische, stickoxydreduzierende Beschichtung bereitgestellt, sondern es wird auch erreicht, daß die Wärmeabfuhr aus dem gesamten Brennraum beschränkt wird. Dies hat insbesondere bei Dieselmotoren eine gute und gleichmäßige Zündung auch bei niedrigen Drehzahlen und Lasten zur Folge. Weiter ergibt sich durch diese Maßnahme vor allem wieder bei Dieselmotoren ein Abbau der Zündverzüge und somit des Verbrennungsgeräusches, sowie eine Verlagerung des Einspritzzeitpunktes in Richtung spät, wodurch ein Abbau des Verbrennungsspitζendruckes, eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und schließlich auch eine Verringerung der Stickoxydbildung überhaupt möglich wird. Zweckmäßigerweise soll die keramische Auskleidung aus einem Zirkonium oder eine Zrrkoniumverbindung enthaltenden Material bestehen. Da für die Wirksamkeit eines Katalysators vor allem die Größe seiner den reagierenden Stoffen ausgesetzten Oberfläche entscheidend ist, wird zum Zwecke der Vergrößerung der katalytisch beschichteten Oberfläche vorgeschlagen, daß die keramische Auskleidung, die ja als Träger für die katalytische Beschichtung dienen soll, aus einem Material mit einer in der MikroStruktur großen Oberfläche besteht. Ein Beispiel für ein derartiges Material ist Y -Aluminiumoxyd.

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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in teils schematischar Darstellungsweise gezeigt, die im folgenden näher beschrieben werden. Die Zeichnung zeigt in

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen von einer Wirbelkammer gebildeten Brennraum einer luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine und

Figur 2 einen Schnitt durch eine den Brennraum enthaltenden _f Kolben einer luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine.

In der Figur 1 der Zeichnung ist mit 1 ein Zylinder, mit 2 ein Kolben und mit 3 ein Zylinderkopf einer luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine (Dieselmotor) bezeichnet, deren Brennkammer im wesentlichen durch eine im Zylinderkopf angeordnete Wirbelkammer 7 gebildet wird, die über einen im wesentlichen tangential in die Wirbelkammer einmündenden Schußkanal 8 mit dem zwischen dem Kolben 2 und dem Zylinderkopf 3 verbleibenden, im wesentlichen durch eine Kolbenmulde 9 gebildeten Zylinderbrennraum 10 verbunden ist. Die Wirbelkammer 7 wird durch einen in den Zylinderkopf 3 eingesetzten, zweiteiligen Einsatz 4a> 4b gebildet, der aus Metall besteht und als Träger für eine keramische Auskleidung 5a·, 5b dient. Diese keramische Auskleidung, die die Wirbelkammer 7 weitgehend gegen Wärmeverluste an die Wände des umgebenden Zylinderkopfs 3 schützt, ist wiederum Träger einer katalytisch wirksamen Beschichtung 6, die in dem hier gezeigten Beispiel an der gesamten Oberfläche der Wirbelkammer 7 und des Schußkanals 8 angebracht ist. Diese Beschichtung besteht dabei aus einem ansich bekannten, zur Reduzierung von Stickoxyden in sauerstoffarmer Atmosphäre!i ^ i]geeigneten katalytischen Material, wie insbesondere aus Edelmetallen» wie Platin oder Rhodium.

Mit 11 ist in der Figur 1 eine in der Wand des Wirbelkammereinsatzes angeordnete Öffnung für einen Glühstift angedeutet, der beim Kaltstart des Dieselmotors ein für die Selbstzündung ausreichendes Temperaturniveau bereitsteilt. 12 bezeichnet eine

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zweite Öffnung, durch die eine hier nieht weiter gezeigte Einspritzdüse in die Wirbelkammer 7 hineinragt. Diese Einspritzdüse liefert den zur Verbrennung in der Brennkraftmaschine benötigten Kraftstoff, der etwa in der Hähe des oberen Verdichtungstotpunktes in die Wirbelkammer eingespritzt und dort gezündet wird.

Die Einspritzung des Kraftstoffes in die Wirbelkammer 1 bewirkt nun, daß zumindest in den von dem Kraftstoffstrahl getroffenen Wandbereichen der Wirbelkammer eine Zone mit relativem KraftstoffÜberschuß beziehungsweise Luft- oder Sauerstoffmangel entsteht. In dieser Zone können aber die an der Wand der Wirbelkammer angebrachten katalytischen Materialien im Sinne einer Reduzierung der bei der Verbrennung entstehenden Stickoxyde wirksam werden, indem sie entweder die Entstehung der Stickoxyde verhindern oder aber bereits entstandene Stickoxyde wieder reduzieren. Da eine Reduzierung der Stickoxyde bei der hier gezeigten Dieselbrennkraftmaschine im wesentlichen nur in den Bereichen der Wirbelkammer stattfinden wird, die der Einspritzdüse gegenüberliegen, könnte daran gedacht werden, die katalytische Beschichtung bevorzugt oder überhaupt nur in diesem Bereich vorzunehmen. Bei der in der Figur 1 gezeigten Ausführung würde dies derjenigsWandbereich der Wirbelkammer sein, der in Richtung der durch den Pfeil angedeuteten Luftströmung im letzten Abschnitt vor der Mündung des Schußkanals 8 liegt. Hier ist in dem Ausführungsbeispiel auch eine Verdickung der katalytischen Beschichtung 6 vorgesehen.

In der ^igur 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines sogenannten Direkteinspritzer-Dieselmotors gezeigt. Hier wird der Brennraum 21 im wesentlichen in einer Ausnehmung des Kolbens 20 gebildet, der in seinem Boden einen metallischen Einsatz 22 mit einer die Kontur des Brennraums bildenden keramischen Auskleidung 23 enthält. Diese keramische Auskleidung 23 dient wiederum als Träger für eine katalytische Beschichtung 24, die die Bildung von Stickoxyden bei der Verbrennung verhindern soll. Mit der strichpmiktierten Linie 25

ist die Richtung des in den Brennraum 21 eindringenden Kraftstoff einspritzstrahls angedeutet. Vie schon zuvor ergibt sich auch bei dieser Ausführung an den von dem Kraftstoffeinspritzstrahl getroffenen Wandpartien des Brennraums 21 eine Zone mit relativem Luftmangel, so daß zumindest dort eine Reduktion der bei der Verbrennung entstehenden Stickoxyde durch ansich bekannte katalytische Stoffe möglich ist.

Die Auskleidung der Brennraumwände mit keramischen Materialien dient, wie oben bereits erwähnt wurde, der Begrenzung der Wärmeabfuhr aus dem Brennraum an die umgebenden Wände. Hier könnten vor allem.Materialien, die Zirkon oder dessen Verbindungen enthalten, verwendet werden, die eine besonders niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzen. Als Folge der verringerten Wärmeverluste aus den derart isolierten Brennräumen ergibt sich vor allem bei Dieselmotoren ein Abbau der Zündverzüge bei niedrigen Drehzahlen und Lasten, so daß das dadurch bedingte harte Verbrennungsgeräusch im Leerlauf (Nageln) wesentlich abgebaut werden kann. Ein weiterer Vorteil der Brennraumisolierung besteht darin, den Einspritzzeitpunkt in Richtung spät zu verlegen, und zwar ohne den Verbrennungsablauf zu stören, so daß auf diese Weise der Spitzendruck während der Verbrennung abgebaut, das Verbrennungsgeräusch gemildert, bei Wirbelkammermaschinen die Schwarzrauchbildung verringert und schließlich auch der Verbrauch verbessert werden kann. Zusammen mit der katalytischen Beschichtung der Brennraumwände, insbesondere in den von dem Kraftstoffeinspritzstrahl getroffenen Bereichen, wird damit ein besonders günstiges und zudem schadstoffarmes Verbrennungsverfahren erreicht.

Die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht nur auf Dieselmotoren beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung auch mit Vorteil bei Otto-Motoren verwendet werden, wo zwar häufig die Möglichkeit einer nachträglichen Beseitigung der Stickoxyde durch Katalysatoren besteht, wenn ein genügend sauerstoffarmer Betrieb erfolgt. Auch hier ist die Unterbindung oder Beseitigung der

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Stickoxyde schon an ihren Entstehungspunkten, nämlich im Brennraum, was durch katalytische Beschichtung der Brennraumwände erreicht v/erden kann, ein wünschenswertes Ziel.

Als katalytische Beschichtung können dabei ganz allgemein dieselben Materialien verwendet werden, die beispielsweise auch bei den bekannten sogenannten 3-Weg-Katalysatoren eingesetzt werden und die bei Luftzahlen von Λ-*ί1 nicht nur Stickoxyde durch Reduktion sondern auch Kohlenmonoxide und Kohlenwasserstoffe durch Oxidation beseitigen.

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AKTIENGESELLSCHAFT 3180 Wolfsburg

Unsere Zeichen: K 2478
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AHSPSfCHE

V\\ Mehrzylindrige Brennkraftmaschine mit einem jedem Zylinder zugeordneten Brennraum, in dem ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff gezündet und verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraumwände wenigstens in den Bereichen, "in denen das Gemisch aus Luft und Kraftstoff relativ fett ist (λ "= Ι)»' eine Beschichtung (6, 24) mit einem die bei der Verbrennung entstehenden Stickoxyde reduzierenden, katalytischen Material aufweisen.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytische Material aus einem oder mehreren Edelmetallen, wie Platin oder Rhodium, besteht.

J. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, insbesondere luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine mit Kraftstoffeinspritzung, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die im Bereich des Kraftstoffeinspritzstrahls liegenden Brennraumwandpartien mit der katalytischen Beschichtung (6,· 24) versehen sind.

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Vorsitzender Vorstand: Toni Schmucker, Vorsitzender ■ Horst Backsmann · Prol. Dr. techn. Ernst Fiala · Dr. jur. Peter Frerk

des Aufsichtsrats: Günter Hartwich · Horst Münzner ■ Or. rer. p6"l. Werner P. Schmidt Gottlieb M. Strobl · Prof. Dr. rer. pol. Friedrich Thomee

Hans Birnbaum Sitz der Gesellschaft: Wollsburg Amtsgericht Wolfsburg HRB

ORiGINAL INSPECTED

4· Brennkraftmaschine insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraumwände mit einem keramischen Material (5a» 5b; 23) ausgekleidet sind, das in den die katalytisch^ Beschichtung (6; 24) enthaltenden Brennraumwandpartien als Träger für diese Beschichtung dient.

5· Brennkraftmaschine nach Anspruch 4j dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Auskleidung (5a, 5b; 23) aus einem Zirkonium enthaltenden Material besteht.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Auskleidung (5a, 5b; 23) aus einem Material mit einer in der Mikrostruktur großen Oberfläche besteht.

7· Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Auskleidung (5a, 5^j 23) aus einem V -Aluminiumoxyd besteht.

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