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Title:
METHOD FOR THE PRODUCTION OF A PISTON USED FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES, ESPECIALLY FOR A TWO-CYCLE-TYPE OPPOSED PISTON ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/031140
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for producing a piston for internal combustion engines, particularly a two-cycle-type opposed piston engine comprising at least two pistons or for two-cycle and four-cycle engines. Said method is characterized in that the individual pistons (2 and 3) are produced from a composition consisting of light metal and carbon/graphite, the piston (2, 3) obtaining a spongy open-cell carbon/graphite structure that is penetrated by channels. The open-cell carbon/graphite structure and the penetrating channels are permeated by a light metal structure that forms a support matrix. The light metal forming the support matrix is injected into the carbon/graphite structure at a high pressure, the pressure being built up quickly by introducing magnesium in a shock-type manner into the carbon piston.

Inventors:
LAUKOETTER KARL-HEINZ (DE)
HEINZ GERHARD (DE)
Application Number:
PCT/EP2004/051452
Publication Date:
April 07, 2005
Filing Date:
July 12, 2004
Export Citation:
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Assignee:
LAUKOETTER KARL-HEINZ (DE)
HEINZ GERHARD (DE)
International Classes:
C22C32/00; F02B75/28; F02F3/14; F02F3/26; F02B75/02; (IPC1-7): F02F3/00; B22D19/14; B22F3/14; C22C1/10; F02B1/12; F02B75/28
Foreign References:
DE19821074A11999-11-18
EP0440093A11991-08-07
GB2158185A1985-11-06
US6180258B12001-01-30
US4986231A1991-01-22
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 015, no. 333 (M - 1150) 23 August 1991 (1991-08-23)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 018, no. 585 (M - 1700) 9 November 1994 (1994-11-09)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1997, no. 08 29 August 1997 (1997-08-29)
Attorney, Agent or Firm:
Flötotto, Hubert (Gütersloh, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Kolbens für Verbrennungsmotoren insbesondere eines Gegenkolbenmotors nach Art eines Zweitaktmo tors mit wenigstens zwei Kolben oder für Zweitaktund Vier taktmotoren, 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 durch setzten Kanäle mit einer als Stützmatrix bildenden Leichtme tallstruktur durchsetzt werden. wobei das die Stützmatrix bildende Leichtmetall unter hohem Druck in die Kohlenstoff/Grafitstruktur eingepresst wird, und dies durch schockartiges Einbringen von Magnesium in den Carbonkolben durch schnellen Druckaufbau erfolgt.
2. Verfahren insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines hochfesten infiltrierten Carbonmate rials und/oder Kolbens (2, 3) für höchste thermische und mecha nische Belastungen der Kolbenrohling durch Pressen von zwei vermischten Pulvermaterialien hergestellt wird, wobei das erste Pulvermaterial aus 3 Mol Ti02 und 78 Mol Al bzw. Mg besteht, und das zweite aus ALinfiltriertem CarbonPulvermaterial, bzw. aus Mginfiltriertem CarbonPulvermaterial besteht, und wobei das zweite Pulvermaterial dem ersten Pulvermaterial zu 1090 % Gesamtgewicht zugemischt wird, und wobei durch hohen Druck und einer Temperatur von 600800 °C sich eine hochfeste CarbonTiAIA1203Struktur ergibt mit sich gegen seitig durchdringenden Komponenten.
3. Verfahren insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines hochfesten infiltrierten Carbonmate rials und/oder Kolbens (2, 3) für höchste thermische und mecha nische Belastungen in das geschmolzene Leichtmetall vor der Infiltration Metalle, Nichtmetalle oder/und Oxide, Nitride, Carbide in Form von Nano partikeln <= 1050 nm insbesondere Titan eingebracht werden, und wobei während der Infiltration die Metalle mit dem Infilt rationsmetall in den Carbonwerkstoff zur Bildung der Stützma trix eindringen ; und sich in einem Hochtemperaturprozeß bei 16002500 °C sich in Inertgasatmosphäre aus dem Infiltrationsmetall und den ent haltenen Komponenten eine homogene Legierung insbesondere Tical bildet.
4. Verfahren insbesondere nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekenn zeichnet, dass Nanopartikel entsprechend Verfahren 3 vor der Infiltration mit Leichtmetall mittels einer Trägerflüssigkeit in die offenporige Kohlenstoff/Grafitstruktur eingebracht wer den, die Trägerflüssigkeit ausgedampft wird und nach der In filtration mit (AL, Mg) sich in einem Hochtemperaturprozess bei 16002500°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 Kolbenund Bennraumoberflä che durch Ausglühen und oder Oxidation bei hoher Temperatur er folgt, 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 zu einander 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 durch setzten Kanäle mit einer als Stützmatrix bildenden Leichtme tallstruktur 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 gekenn zeichnet, 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 Kolbenund Bennraumoberfläche durch Ausglühen und durch Oxidation bei hoher Temperatur er folgt.
14. Gegenkolbenmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in die vergrößerte hochporöse KolbenBrennraumoberfläche Kata lysatormetalle 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 Kolbenober fläche (5.2) und (6.2) verdampft und sich gleichzeitig durch einen schnell laufenden Luftwirbel mit der verdichteten Ver brennungsluft 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 gekennzeich net, 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 meh reren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekenn zeichnet, dass der einzelne Kolben (2, 3) aus einer Zusammenset zung gefertigt ist, die aus Leichtmetall und Kohlenstoff/Grafit besteht. wobei der Kolben (2,3) eine schwammartige offenporige Kohlenstoff/Grafitstruktur aufweist, die von Kanälen durch setzt 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 Bil dung einer hochporösen Kolbenund Bennraumoberfläche durch Ausglühen und durch Oxidation bei hoher Temperatur erfolgt.
22. Kolben nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass in die vergrößerte hochporöse KolbenBrennraumoberfläche Katalysator metalle und/oder Katalysatoroxide eingebracht sind.
23. HochTemperatur HCCI Brennverfahren kurz HTHCCI Brennverfahren (High Temperature Homogeneous Charge Compression Ignition) insbesondere nach einem der Ansprüche 15 und 622 dadurch gekennzeichnet, dass die Brennraumtemperatur vor der Zündung sehr schnell auf 600 1400°C je nach Kolbenmaterial, Brennstoff und Verdichtung ange hoben 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, NOxund 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.
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 Kol- bens für Zweitakt-und Viertaktmotoren. Daneben betrifft die Erfin- dung 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 auf- einander zu, wobei während des Arbeitstaktes sich die Kolben von ein- ander 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 Abführung der Abgase wird durch von den Kolben freigegebenen Schlitzreihen bewerkstelligt.

Ein derartiger Motor ist aus der DE 198 21 074 AI bekannt, bei dem die Kolben mit Spülkanälen versehen sind, so dass zur Kühlung bzw.

Wärmeabfuhr Ölflüssigkeit durch die Kolben strömen kann, um auf diese Weise eine konstante Wärmeabfuhr am Kolben zu ermöglichen. Trotz die- ser 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 derarti- gen Gegenkolbenmotors beschränkt.

Ein anderes Problem stellt sich bei Verbrennungsmotoren dar, wie bei den herkömmlichen Verfahren der Dieseldirekteinspritzung, wobei hier die starke Reduktion der Emissionen (HC, nox, Rußpartikel) im Inter- esse der Umwelt und der Gesundheit gefordert wird. Zur Lösung dieses Problems ist es Stand der Technik durch Verbrennung nachgeschalteter Katalysatoren und Filter (z. B. NOx-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 (Aluminiumsilikatfasern 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 Enginion (25kW thermisch, 6kW elektrisch) sind in der Erprobung. Als nachteilig wird es jedoch angesehen, dass die Reduzierung der Emissionen erst in einem nachge- schalteten Prozess vorgenommen wird.

So ist bekannt, dass durch Aufbringen von Platininseln direkt auf den Kolben eine HC-und NOx-Reduzierung beim Ottomotor erreicht werden kann. Beim Dieselmotor führt eine Anhebung der Zylinderwandtemperatur zwar zu einem besseren Wirkungsgrad aber auch zu schlechteren Abgas- werten. 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 Aufga- be, 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, ei- nen 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/Gra- fitstruktur sowie die durchsetzten Kanäle mit einer als Stützmatrix bildenden Leichtmetallstruktur durchsetzt, und wobei das die Stütz- matrix bildende Leichtmetall unter hohem Druck in die Kohlenstoff/ Grafitstruktur eingepresst wird, welches durch schockartiges Einbrin- gen von Magnesium in den Carbonkolben mit schnellem Druckaufbau er- folgt.

Nach einer zweiten Verfahrensvariante zur Herstellung eines hochfes- ten infiltrierten Karbonmaterials und/oder Kolbens für höchste ther- mische und mechanische Belastungen wird der Kolbenrohling durch Pres- sen von zwei vermischten Pulvermaterialien hergestellt. Dabei besteht das erste Pulvermaterial aus 3 Mol TiO2 und 7-8 Mol AI bzw. Mg, wobei das zweite aus AL-infiltriertem Carbon-Pulvermaterial, bzw. aus Mg- infliltriertem Carbon-Pulvermaterial besteht. Das zweite Pulvermate- rial wird hierzu dem ersten Pulvermaterial zu 10-90 X Gesamtgewicht zugemischt, wobei durch hohen Druck bei einer Temperatur von 600- 800 °C eine hochfeste Carbon-TiAI-A1203-Struktur entsteht mit sich ge- genseitig durchdringenden Komponenten. Das zweite Pulvermaterial kann dabei aus einem Material bestehen, wie es bereits in dem erst be- schriebenen Verfahren beansprucht wurde. Das Material 2 kann auch aus zusätzlichen Anteilen von nicht-infiltriertem Carbon, Aluminium, Mag- nesium, Silizium, Si02. Ti. TiO2 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-Me- talle oder/und Oxyde, Nitride, Carbide in Form von Nanopartikeln kleiner =10-50 nm, insbesondere Titan eingebracht werden, wobei wäh- rend 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 ho- mogene Legierung, insbesondere Titan-Aluminium, bildet. Wie dies be- reits 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 nach- einander 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 zulas- sen, 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 Wir- kungsgrad.

Aufgrund dieser Verfahrensmerkmale zur Herstellung des erfindungsge- mäßen Kolbens wird insbesondere das so genannte Hoch-Temperatur Brennverfahren (High Temperature HCCI, kurz HT-HCCI) begünstigt. Denn bei einem Gegenkolbenmotor ist ein schnelles Anheben der Brennraum- temperatur im Bereich der Gleichraumbedingungen auf über 600-1400 Grad Celsius, je nach Kolbenmaterial, Brennstoff und Verdichtung ge- geben. 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 Ver- brennung nach dem ersten Druckanstieg. Dies führt dazu, dass eine na- hezu vollständige Vermeidung von CO-, HC-, NOx-und Rußemissionen er- folgt. Dieses Hoch-Temperatur Brennverfahren wird insbesondere durch die folgenden Konstruktions-und Verfahrensmerkmale begünstigt, die insbesondere darin gesehen werden, dass die Zylinderbuchse mit in- filtriertem 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 Ver- gleichmäßigung 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, beste- hend aus hochporösen, mit Mikrokanälen versehenen infiltriertem Car- bonmaterial oder Keramik. Das Hoch-Temperatur Brennverfahren kann sinngemäß vollständig oder teilweise auf bestehende Motoren oder Kon- struktionen, sowohl in der Zweitakt-als auch in der Viertaktvarian- te, übertragen werden.

Bei der Verwendung einer vergrößerten hochporösen Kolben-und Brenn- raumoberfläche durch Ausglühen und Oxidation bei hoher Temperatur und durch die Verwendung von Katalysatormetallen und/oder Katalysatoroxy- den ergibt sich eine vergrößerte hochporöse Kolben-und Brennraum- oberfläche, die sich insbesondere begünstigend auswirkt zur Reduzie- rung der Emissionen, wie CO-, HC-, NOx und Ruß. Durch Verwendung von Carbonkolben, insbesondere von leichtmetallinfiltrierten (Al, 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 Dieselverfahren verwendeten glatten und gekühlten Kolben weisen infiltrierte Carbonkolben eine poröse und damit eine 4-10 mal größere Oberfläche auf, die die Oxyde der Infil- trationsmetalle enthält. Diese große Oberfläche heizt sich nach er- folgter 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 Gleich- raumbedingungen 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 redu- ziert werden. Aufgrund ihrer hohen Eigengeschwindigkeit stoßen die Moleküle und Partikel zwischen 1-10 mal mit der heißen porösen Kol- benoberfläche zusammen und werden je nach Beschaffenheit des Auftref- fortes (Grafit, Metall, Metalloxyd) katalytisch, thermisch-kataly- tisch, oxidativ (wie in einem Katalysator) mit den entsprechenden Ka- talysatoren in Wechselwirkung treten, was zu einer weiteren Reduzie- rung 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 Kohlen- stoffstrukturen sowie die durchsetzten Kanäle mit einer Stützmatrix bildenden Leichtmetallstruktur versetzt. Der Leichtmetallanteil be- trägt 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 30% reduziertes Eigen- gewicht 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 aufneh- menden 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 Fres- sen des Kolbens vermieden, da seine hohe Temperaturbeständigkeit ex- trem hohen thermischen Belastungen standhalten kann, weil der spezi- fische Ausdehnungskoeffizient des Materials sehr gering ist.

In Weiterbildung der Erfindung sind die den Brennraum bildenden Kol- benböden muldenförmig ausgebildet. Dabei erfolgt die Verbrennung in- nerhalb der beiden den Brennraum bildenden aufeinander liegenden Kol- benmulden. Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Er- findung wird während der Gleichlaufphase der sich in der Laufbuchse bewegenden Kolben der Treibstoff auf der muldenförmigen Kolbenober- fläche 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 Gegenkol- benmotor 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 Kolbenoberfläche, wie es Stand der Technik ist, mit einer extrem hohen Temperatur beaufschlagt, so dass er ver- dampft 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 se- parate Abgasrückführung ist daher nicht erforderlich.

Das Treibstoffluftgemisch zündet vorzugsweise während der Gleichlauf- phase explosionsartig. Es handelt sich somit um einen kompressionsge- zündeten Ottomotor. Die Verdichtungsverhältnisse liegen hierbei im Bereich einer-Verdichtung von 1 : 12 bis 1 : 14, welches einem Kompres- sionsdruck 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 nachge- schalteten Nachbrennkammer. Diese Nachbrennkammer wird gleichzeitig als Abgasnachbehandlungsanlage genutzt. In ihr werden durch Tempera- turerhöhung 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 Dieselverfah- ren relativ langsam innerhalb von mehreren Grad Kurbelwellenwinkel, sondern explosionsartig bei gleichzeitiger Zündung aller Treibstoff- moleküle 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 Stützma- trix bildenden Leichtmetallstruktur versetzt, wobei die Bildung der Stützmatrix durch schockartiges Einbringen von Magnesium in den Car- bonkolben erfolgt. Die Bildung einer hochporösen Kolben-und Benn- raumoberfläche erfolgt hierbei durch Ausglühen und durch Oxidation bei hoher Temperatur. In Weiterbildung sind in die vergrößerte hoch- poröse Kolben-Brennraumoberfläche Katalysatormetalle und/oder Kataly- satoroxide 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 l. In der darge- stellten Situation nehmen die Kolben 2 und 3 in einer Laufbuchse 4 die Lage ein, dass die beiden Kolbenböden 5 und 6 in Angrenzung kom- men, 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 mit- tels einer Zapfendüse 8 eingespritzt worden. Der in diesem Raum be- findliche Treibstoff zündet während der Gleichlaufphase, wobei ins- besondere der Kolben 2, der sich am oberen Totpunkt befindet, sich in Pfeilrichtung 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 Zwei- taktmotors aus mindestens zwei Kolben 2 und 3, die in zwei axial zu- einander ausgerichteten Zylinderräumen 9 und 10 mittels der Lauf- buchse 4 gebildet werden. Dabei besteht der einzelne Kolben 2 und 3 aus einer Zusammensetzung, die aus Leichtmetall und Kohlenstoff/Gra- fit besteht. Nicht näher dargestellt ist hierbei, dass der Kolben 2, 3 eine schwammartige offenporige Kohlenstruktur aufweist, die von Ka- nälen durchsetzt ist. Die offenporige Kohlenstruktur sowie die durch- setzenden Kanäle sind mit einer als Stützmatrix bildenden Leichtme- tallstruktur 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 explosionsar- tige Zündung erfolgt, die insbesondere den Arbeitstakt auslöst.

Dabei werden die Kolbenoberflächen 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 kön- nen, kann in den Kolbenmulden 5.2 und 6.2 das darin befindliche Rest- gas zur Temperaturerhöhung herangezogen werden und durch die Tempera- turerhöhung kann eine Schadstoffminderung erzielt werden, da keine Heiß-Kaltzonen in der Phase der Gleichraumverbrennung ausgebildet werden Eine innere Abgasrückführung kann vorgesehen sein, wobei die explosi- onsartige Kompressionszündung während der Gleichlaufphase der Kolben 5 und 6 erfolgt. Weiter kann, nicht näher dargestellt, überspültes Treibstoffluftgemisch, in einer Nachbrennkammer zur Abgasnachbehand- lung und Wärmegewinnung genutzt werden.

Die neu entwickelten Leichtmetallkohlenstoffkolben weisen im Ver- gleich zu herkömmlichen Leichtmetallkolben ein bis zu 30% reduziertes Eigengewicht auf, welches sich positiv auf die Motorlaufruhe aus- wirkt. Durch das reduzierte Eigengewicht werden nicht nur die oszil- lierenden Massen verringert, sondern auch die Eigendynamik, Sparsam- keit und Leistung des Motors verbessert. In eine schwammartige offen- porige 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 hö- heren Festigkeit von Leichtmetall und des geringeren spezifischen Ge- wichtes von Grafit, einen hochfesten selbstschmierenden Kolben 2, 3 für Verbrennungskraftmaschinen herzustellen, womit zugleich ein Fres- sen des Kolbens 2. 3 vermieden wird, da seine hohe Temperaturbestän- digkeit extrem hohen thermischen Belastungen standhalten kann.