(57)【要約】【解決手段】本発明は、少なくとも１つの、シリンダー１２、およびこのシリンダー内において運動可能に配設されたピストン１４によって形成されている燃焼室１６を有する、燃焼原動機１０に関する。燃焼すべき空気燃料混合気、及び／またはエンジンオイルと接触する、燃焼室１６の少なくとも１つの構造部材、及び／または、これと隣接する室の表面が、少なくとも部分的に、カーボン化残渣の酸化のための触媒被覆部を有している。
2004530839.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの、シリンダー（１２）、およびこのシリンダー内において運動可能に配設されたピストン（１４）によって形成されている燃焼室（１６）を有する、燃焼原動機（１０）において、
燃焼すべき空気燃料混合気、及び／またはエンジンオイルと接触する、燃焼室（１６）の少なくとも１つの構造部材、及び／または、これと隣接する室の表面が、少なくとも部分的に、カーボン化残渣の酸化のための触媒被覆部を有していることを特徴とする燃焼原動機。
【請求項２】
被覆部は、酸化バナジウム、特に五酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の燃焼原動機（１０）。
【請求項３】
被覆部は、３成分の酸化バナジウム化合物、特に、組成Ｖ2Ｏ5-XＮXのバナジウムオキシニトリド、または、０≦Ｘ≦１の状態でのバナジウムオキシカルビドＶ2Ｏ5-XＣXを含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼原動機（１０）。
【請求項４】
被覆部は、少なくとも1つの金属の少なくとも1つの更に別の化合物、特に、金属酸化物を含んでいることを特徴とする請求項２または３に記載の燃焼原動機（１０）。
【請求項５】
少なくとも1つの更に別の化合物は、酸化セリウム、特に、二酸化セリウム（ＣｅＯ2）、及び／または、他の諸希土類金属の内の１つの希土類金属、及び／またはランタン（Ｌａ）の酸化物であることを特徴とする請求項４に記載の燃焼原動機（１０）。
【請求項６】
少なくとも1つの更に別の化合物は、遷移金属の酸化物、特に、鉄族、白金族、銅族、及び／または、亜鉛族であることを特徴とする請求項４に記載の燃焼原動機（１０）。
【請求項７】
少なくとも１つの構造部材は、吸気弁（２４）、排気弁（２６）、吸気管路（２０）、排気管路（２２）、高圧噴射バルブ（３０）、ピストン（１４）、及び／またはシリンダー（１２）であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃焼原動機（１０）。
【請求項８】
表面は、
吸気弁（２４）及び／または排気弁（２６）の弁表面（３６）、
吸気管路（２０）及び／または排気管路（２２）の内側壁、
高圧噴射バルブ（３０）の噴射ノズル、
ピストン（１４）のピストンクラウン（３４）及び／またはピストン摺動面（３８）、及び／または、
シリンダー（１２）のシリンダー摺動面（４０）及び／または燃焼室屋根部、
であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃焼原動機（１０）。
【請求項９】
燃焼原動機（１０）は、燃料直接噴射装置を備えており、この燃料直接噴射装置でもって、燃料が、直接的に燃焼室（１６）内へと噴射可能であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃焼原動機（１０）。
【請求項１０】
被覆部は、プラズマによって助成された、及び／またはイオンによって助成された真空処理によって、表面上に付着されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の燃焼原動機（１０）。
【請求項１１】
被覆部は、バナジウム（Ｖ）から成るターゲット、または、バナジウム（Ｖ）、および、少なくとも１つの更に別の金属を材料にした合金から成るターゲットのアーク放電蒸発処理によって、または、
バナジウム（Ｖ）から成るターゲット、および、少なくとも１つの更に別の金属のターゲットの、相前後して行なわれるアーク放電蒸発処理によって、酸素の存在のもとで付着されていることを特徴とする請求項１０に記載の燃焼原動機（１０）。
【請求項１２】
被覆部は、バナジウム化合物、特に窒化バナジウムまたは炭化バナジウムの塗布によって、および、酸素の存在のもとでの引き続いての熱的な酸化によって、表面上に付着されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の燃焼原動機（１０）。
【請求項１３】
少なくとも１つの金属は、酸化バナジウム、または３成分の酸化バナジウム化合物から成る被覆上への金属塩溶液の塗布によって、および、酸素の存在のもとでの引き続いての熱的な酸化によって、被覆部内へと混入されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の燃焼原動機（１０）。
【請求項１４】
被覆部は、ゲルの付着、および、引き続いての熱分解プロセスによって、表面に付着されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の燃焼原動機（１０）。
【請求項１５】
ゲルは、バナジウムイソプロポキシド、および、セリウムアルコラートから成ることを特徴とする請求項１４に記載の燃焼原動機（１０）。
【請求項１６】
ゲルは、ポリエチレングリコールと混合されていることを特徴とする請求項１５に記載の燃焼原動機（１０）。
【請求項１７】
所望の表面に塗布されたゲルは、約４００℃から５００℃までの温度において、熱分解プロセスに被らせられることを特徴とする請求項１６に記載の燃焼原動機（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念において言及された特徴を有する燃焼原動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
外部の、または内部の混合気形成を有する、冒頭に記載した燃焼原動機（往復ピストンエンジン）は、良く知られている。
この様式の燃焼原動機は、通常、多数のシリンダーを有し、これらシリンダー内において、軸線方向に運動可能なピストンが、その内で供給された空気燃料混合気の燃焼が行われる燃焼室を形成している。
【０００３】
このような燃焼原動機の公知の問題点は、従って、公知の、供給された燃料、およびエンジンオイルのカーボン化残渣である。ビチューメン状の、および部分的に非常に複雑な炭化水素混合物がこの問題点であり、これら炭化水素混合物が、弁、弁表面、吸気管路、噴射ノズル、および燃焼室屋根部に沈着し、且つ集積する。これらカーボン化残渣は、特に、吸気弁において、これらカーボン化残渣が、流動の運動力学的な動態、または弁の閉鎖挙動に関して不都合な変化を誘起する程に集積する。同様に燃焼室の他の構造部材表面、例えば、ピストン摺動面においても、カーボン化残渣は、極めて不利な影響を及ぼす。このカーボン化の問題は、特に、燃料直接噴射装置を備える燃焼原動機に関している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、本発明の課題は、低減された構造部材のカーボン付着を有する、燃焼原動機を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題は、独立した請求項１において記述された特徴を有する燃焼原動機によって解決される。本発明により、燃焼室内において燃焼されるべき空気燃料混合気と接触する、この燃焼室の少なくとも１つの構造部材の表面が、少なくとも部分的に、触媒被覆部を有しており、この触媒被覆部が、この燃焼室に供給された燃料のカーボン化残渣、およびエンジンオイルの酸化を促進することができる。本発明による被覆部は、確かにカーボン化残渣のカーボン化、および析出を抑制することはできないが、しかしながら、典型的な作動温度の際の、触媒と薄層との間の境界面における炭素を含有している薄層の迅速な酸化が、堆積物の早期の剥離を、存在する流動の作用のもとで生じさせる。このようにして、関連された表面における、これらカーボン化残渣の増大は、更に低減され、またはしかもその上、完全に抑制される。構造部材、即ちエンジンの機能は、従って、耐用期間の間じゅう、阻害されない。
【発明の効果】
【０００６】
特に五酸化バナジウムＶ2Ｏ5から成る酸化バナジウム被覆が、特に有利であることは明らかであり、これら酸化バナジウム被覆は、場合によっては、同様に、更に別の、なお説明されるべき化合物の添加材を有していても良い。五酸化バナジウム被覆を有する構造部材は、既に、約３００℃以上の、即ち一般の作動温度以上の温度において、カーボン化残渣の、迅速な酸化性の灰化を行なうことができる。このプロセスの際に還元された五酸化バナジウムの再酸化は、その際に、自然発生的に行なわれ、従って、この五酸化バナジウムの触媒的な有効性が、維持された状態に留まる。これに反して、被覆されていない構造部材は、４００℃以上の温度においてさえも、堆積物の如何なる燃焼状態も現れず、むしろ、これら構造部材が、通常鋼またはアルミニウムから成る構造部材内への、特に不利な焼付けの傾向にある。同じように有利な被覆部が、この酸化バナジウムに対して選択的または付加的に、同様に３成分の酸化バナジウム化合物、特に、組成Ｖ2Ｏ5-XＮXのバナジウムオキシニトリド、または、０≦Ｘ≦１の状態でのバナジウムオキシカルビドＶ2Ｏ5-XＣXを含有可能である。
【０００７】
既に説明したように、特に有利には、「基礎触媒」としての機能を果たす、２成分、または３成分の酸化バナジウムから成る被覆が、更に別の添加材を含有する。これら添加材には、その際に、カーボン化残渣の堆積を、更により強度に防止すること、もしくは、この基礎触媒の触媒的な最低温度を、より低い温度の方向に変位することの役目がある。更に、これら添加物は、跳ね上がるオイル−煤混合物の加熱特性を改善し、且つ、部分的な酸化、クラッキング反応、およびシフト反応によって、これらカーボン化残渣の、高沸点の炭化水素含有率の蒸発を促進する。添加材として、その際に、金属化合物、特に、金属酸化物が該当する。ここで、酸化セリウム、特に、二酸化セリウムＣｅＯ2が、特に有利であることが判明した。それに加えて、しかもまた、他の諸希土類金属の内の１つの希土類金属、及び／またはランタンの酸化物が該当する。更に別の適当な化合物は、遷移金属酸化物、特に、鉄族（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）、白金族（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、銅族（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）、及び／または、亜鉛族（Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ）である。
【０００８】
当該の構造部材の表面上への被覆部の付着は、プラズマによって助成された、及び／またはイオンによって助成された真空処理（Plasma- und/oder Ionen-gestuetzter Vakuumverfahren）を用いて、特に、酸素の存在における適当なターゲットのアーク放電蒸発処理（Lichtbogenverdampfung）によって行われる。純粋な五酸化バナジウム被覆を形成するために、例えば、純粋なバナジウムから成るターゲットが蒸発され、その際、この蒸発されたバナジウムが、瞬間的に存在する酸素と反応し、且つ、Ｖ2Ｏ5の形で、被覆されるべき表面上に析出される。それとは反対に、上記の諸添加材料内の一つまたは多数の添加材を有する酸化バナジウム被覆を形成するために、バナジウムと適当な更に別の金属を材料にした混合物／合金から成るターゲットが使用される。選択的に、同様に、バナジウムターゲット、および、少なくとも１つの更に別の金属のターゲットの、相前後して行なわれるアーク放電蒸発処理も実施され得る。
【０００９】
更に、引き続いて約３５０℃から約４５０℃までの温度における酸素の存在における酸化のために、適当なバナジウム化合物、特に窒化バナジウム、または炭化バナジウムが、被覆されるべき表面上に塗布されるというやり方で、純粋な酸化バナジウム被覆を形成することは可能である。
【００１０】
既に形成された２成分または３成分の酸化バナジウム被覆への金属添加材の配分は、更に、「化学的な浸透」によって行われる。その際に、添加されるべき金属の金属塩溶液が、特に、硝酸塩のアルコール溶液として、基礎触媒被覆上に塗布され、且つ、引き続いて、酸素の存在のもとで熱的に酸化される。
【００１１】
酸化バナジウム被覆を形成するためのバリエーションは、ＳＯＬ−ＧＥＬ方式による付着である。この場合、先ず第一に、ゲルが形成され、そのために、例えば、バナジウムイソプロポキシドが、セリウムアルコラートと共に、所望の量の比率において混合され、且つ、最終的に、ポリエチレングリコールと混合される。このようにして形成されたゲルは、所望の表面上に塗布され、且つ、多段式の熱分解プロセス内において、約４００℃から５００℃まで、有利には４２５℃から４７５℃まで、特に４５０℃の温度が被らせられる。この熱分解プロセスによって、高い触媒活性を有する、二酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）および二酸化セリウム（ＣｅＯ2）から成るナノ構造を与えられたフィルムが得られる。
【００１２】
本発明の更に別の有利な実施形態は、残りの従属請求項の対象である。
【００１３】
次に、本発明を、図に基づく実施例において詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
ただ１つの図は、概略的に、燃焼原動機の燃焼室関連の構成要素の断面図を示している。
【００１５】
全体で、参照符号１０でもって示された燃焼原動機から、単に１つのシリンダー１２が例示的に図示されている。もちろん、この燃焼原動機１０は、種々の配設状態において、多数のシリンダー１２を持っていても良い。このシリンダー１２内において、軸線方向に移動可能に、ピストン１４が配設されており、このピストンの長手方向運動は、図示されていないクランクシャフトの回転運動へと伝達される。このシリンダー１２の内側室内において、燃焼室１６は、このピストン１４によって区画され、且つ、ピストンリング１５によって封隙される。このシリンダー１２のシリンダーヘッド１８内において、一方では、吸気管路２０がその終端を接しており、この吸気管路を介して空気供給がこの燃焼室１６内へと行なわれ、および、他方では、排気管路２２がその終端を接しており、この排気管路が、排気ガスの放出の役目を果たす。吸気管路２０、および排気管路２２の開放、および閉鎖は、吸気弁２４、もしくは排気弁２６を介して行なわれ、これら弁が、図示されていないカムシャフトを介して、非同期式に作動される。もちろん、同様に、多数のそれぞれに相応する弁、例えば２つの弁を備える吸気管路および排気管路が配置されていても良い。この燃焼室１６に供給されるべき空気質量流量は、負荷に依存して、調整可能な、この吸気管路２０内において配設されたスロットルバルブ２８によって制御される。このシリンダーヘッド１８内において、更に、この燃焼室１６内へ燃料を噴射するための高圧噴射バルブ３０が、並びに、空気燃料混合気を発火するための点火プラグ３２が設けられている。事実、提出されているこの発明が外部から発火される燃焼原動機の実施例において説明されてはいるが、この発明は、同様に、有利にはディーゼルエンジンのためにも使用され得る。
【００１６】
既に冒頭において説明されているように、特に希薄な成層燃焼運転における、直接噴射装置を有する燃焼原動機１０は、燃焼室１６の種々の構造部材の表面においてカーボン化残渣の沈着という結果に終わる、供給された燃料、およびエンジンオイルのカーボン化の問題を免れない。増大するカーボン化沈着物は、その場合に、この燃焼原動機１０の機能の阻害を誘起する。特に、吸気弁２４、および排気弁２６の弁表面３６上の、並びに、吸気管路２０、および排気管路２２の内側壁に沿っての、これらカーボン化残渣は、これら弁２４、２６の閉鎖挙動、および流入する空気の流動の運動力学的な動態における不都合な諸変動を誘起する。通常精密に成形されているピストンクラウン３４、またはシリンダーヘッド１８の燃焼室屋根部における沈着は、同様に、燃焼室１６内において存在する流動挙動の都合の悪い影響を誘起し、且つ、ピストン摺動面３８、およびシリンダー摺動面４０上のカーボン化残渣が、ピストン運動を妨害する。要するに、噴射バルブ３０の作動機能は、噴射ノズルにおける沈着によって阻害される。
【００１７】
本発明により、上記で述べた危険に曝された表面は、少なくとも部分的に触媒被覆部を備えており、この触媒被覆部が、付着するカーボン化残渣の迅速な酸化、および従って、一般の作動温度におけるこれらカーボン化残渣の剥離を、触媒反応によって可能にする。有利には、この被覆部は、五酸化バナジウムを基礎として酸化に効果のある触媒を含んでおり、この触媒の有効性が、例えば酸化セリウム、酸化タングステン、及び／または酸化モリブデンの添加によって更に向上される。更に、粘着性のビツメン状の物質内に溜まる高沸点の炭化水素の、より迅速な蒸発を生じさせるような物質も添加され得る。
【００１８】
第１の実施例において、例えば陰極のアーク放電でもってのＰＶＤ方式（物理蒸着法（physical-vapour-deposition））によって、８２％バナジウム、および１８％セリウムの組成のターゲットが、５×１０-3ｍｂａｒの酸素圧力における真空状態において、バナジウム−酸化セリウム−混合相を、吸気弁２４の弁表面３６に付着する。この場合、先ず第一に、化学式的な組成（ＣｅyＶy）Ｏ2-Xの亜酸化物が生成し、この亜酸化物が、引き続いて、空気に接しての自然発生的な後酸化によって、迅速にＣｅＯ2／Ｖ2Ｏ5へと酸化する。
【００１９】
更に別の実施例において、先ず第一に、同じ諸プロセス条件のもとで、純粋なバナジウムターゲットの蒸発によって、バナジウム亜酸化物層（酸化数＜５）が、吸気弁２４の表面３６上に析出されるというやり方で、類似の層が形成される。引き続いて、硝酸セリウムのアルコール溶液から、硝酸セリウムの薄膜がバナジウム亜酸化物層上に吹付けられる。≧４００℃の温度における熱分解によって、バナジウム亜酸化物、およびセリウム塩から、それぞれに、両方の金属の最も高い酸化状態、即ち＋５、もしくは＋４を有する相応する混合酸化物が形成される。
【００２０】
この様式で被覆された弁は、実験室炉内におけるシミュレーション試験において、検査された。その際、炭素油膜が、既に３００℃以下の温度において、境界面酸化作用によって、再び、これら弁表面から解離することができることが判明した。五酸化バナジウム被覆内におけるセリウム、ニッケル、クロム、亜鉛、及び／またはモリブデンの元素の微量成分は、容積の大きいビチューメン状のカーボン化残渣の形成の更なる減少を誘起する。このことは、明瞭に、オイルの比較的に迅速な蒸発に、およびこれと共に、同時に平行して現れる減少された、表面における煤微粒子の凝集傾向に由来する。
【００２１】
酸化バナジウム被覆を形成するためのバリエーションは、ＳＯＬ−ＧＥＬ方式による付着である。この場合、先ず第一に、ゲルが形成され、そのために、例えば、バナジウムイソプロポキシドが、セリウムアルコラートと共に、所望の量の比率において混合され、且つ、最終的に、ポリエチレングリコールと混合される。このようにして形成されたゲルは、所望の表面上に塗布され、且つ、多段式の熱分解プロセス内において、約４００℃から５００℃まで、有利には４２５℃から４７５℃まで、特に４５０℃の温度が被らせられる。この熱分解プロセスによって、高い触媒活性を有する、二酸化バナジウム（Ｖ2Ｏ5）および二酸化セリウム（ＣｅＯ2）から成るナノ構造を与えられたフィルムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】概略的な、燃焼原動機の燃焼室関連の構成要素の断面図である。
【国際公開パンフレット】
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2004530839.tif 000014
【国際調査報告】
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2004530839.tif 000018
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