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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur verbesserten Verbrennung eines Brennstoff/Luft-Gemisches in einem Brennraum und ein Verfahren zur verbesserten Verbrennung.
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In Verbrennungskraftmaschinen, wie z.B. Otto- und Dieselmotoren für Kfz, wird ein Gemisch aus Kraftstoff und Umgebungsluft in einen Brennraum eingebracht, gemischt und unter kontrollierten Bedingungen gezündet und zur Verbrennung gebracht. Diese Verbrennung erfolgt in der Regel unvollständig und es werden nur etwa 99% aller Bestandteile des Gemisches zu Wasser und Kohlendioxid verbrannt. Der restliche Anteil setzt sich aus NOx, CO, Ruß, Teer und Kohlenwasserstoffen zusammen.
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Bei allen Verbrennungskraftmaschinen mit innerer Verbrennung wird nach jedem Arbeitsspiel das beteiligte Gas gewechselt, also Abgas ausgestoßen und Frischgas zugeführt. Heutige Motoren verdichten das Gas, dann wird es bei hohem Druck verbrannt und wieder entspannt. Der maximal mögliche Wirkungsgrad hängt von den Temperaturniveaus ab, auf dem die Verbrennungswärme zu- und abgeführt wird, und damit vom Verdichtungsverhältnis. Eine unvollständige Verbrennung reduziert den Wirkungsgrad weiter. Dies gilt auch für andere technische Einrichtungen mit Brennräumen, z.B. für Heizkessel.
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Auf Erdöl basierende flüssige Kraft- und Brennstoffe enthalten eine große Anzahl verschiedener Kohlenwasserstoffe (Wasserstoff und gebundene Kohlenstoffe). Um diese Treibstoffe in Energie umzuwandeln, muss eine Verbrennung stattfinden. Das Ergebnis einer vollständigen Verbrennung ist Wasser und Kohlendioxid. Wenn die Verbrennung nicht vollständig ist, entstehen Kohlenmonoxid, Ruß und Teer.
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Kleine und leichte Kohlenwasserstoff-Moleküle wie z.B. solche in Gasen oder Rohbenzin verbrennen leicht. Große und schwere Kohlenwasserstoffe-Moleküle verbrennen dagegen nicht so einfach und benötigen eine höhere Temperatur, um eine vollständige Verbrennung zu erreichen. Während des Verbrennungsprozesses wird die Geschwindigkeit der Verbrennung durch die Menge und die Konzentration vorhandener und durch die Verbrennung entstehender freier Radikale beeinflusst. Diese werden u.a. durch Aufspaltung der Kohlenwasserstoff-Moleküle bei höherer Temperatur erzeugt. Durch ihre hohe Reaktivität reagieren sie sofort mit Sauerstoff. Bei dieser Oxidation wird Wärme freigesetzt, was zu einer weiteren thermischen Aufspaltung führt.
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Dauert die Entflammung des Kraftstoffgemisches im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine länger, verschiebt sich auch der Verbrennungsschwerpunkt. Zudem kann eine längere Funkendauer bei höherem Energieeinsatz den Verschleiß der Zündkerze beschleunigen. Eine erhöhte Konzentration freier Radikale bewirkt einen intensiveren und schnelleren Verbrennungsprozess.
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In der
DE 10331418 A9 wird vorgeschlagen, zur Verbesserung der Verbrennung anstelle einer Zündkerze ein Plasma einzusetzen und dieses innerhalb des Brennraums zu generieren. Problematisch ist es jedoch, den Plasmagenerator in den Brennraum zu integrieren und an die dort herrschenden Bedingungen anzupassen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit der eine möglichst vollständige und homogene Verbrennung erreicht werden kann, ohne dabei die Nachteile der bekannten Lösung in Kauf nehmen zu müssen. Weitere Teilaufgaben bestehen darin, den Energiegehalt des Brennstoffs/Kraftstoffs maximal auszunutzen und schädliche Abgase möglichst zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
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Die Erfindung schlägt vor, die Verbrennung eines Brennstoff/Luft-Gemisches dadurch zu optimieren, dass dem Brennraum, in dem die Verbrennung stattfindet, zumindest ein Reaktorraum vorgeschaltet wird, in dem zumindest eine Komponente des Brennstoff/Luft-Gemisches mittels eines Plasmagenerators mit Radikalen und Ionen angereicht werden kann. Der Brennraum selbst kann dann wie in bekannten Verbrennungsvorrichtungen ausgebildet sein.
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Weiter umfasst die Vorrichtung eine Steuerungseinrichtung, über die die Anreicherung der Komponente des Brennstoff/Luft-Gemisches geregelt werden kann.
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Die Erfinder haben erkannt, dass die richtige Konzentration von freien Radikalen und Ionen bereits in einer frühen Stufe des Verbrennungsprozesses wichtig ist für die Vollständigkeit der Verbrennung. Mit dem erfindungsgemäß im Reaktorraum vorgesehenen Plasmagenerator kann die Anzahl freier Radikaler und Ionen bereits vor Beginn der Verbrennung im Brennstoff/Luft-Gemisch erhöht werden. Dann kann die Verbrennung schneller anspringen, wenn das Brennstoff/Luft-Gemisch gezündet wird, und dann auch früher enden. Im Ergebnis läuft sie zudem vollständiger ab. Dies ist insbesondere in Verbrennungskraftmaschinen von Vorteil, in denen die Zündung des Brennstoff/Luft-Gemisches zu einem durch den Arbeitstakt des Verbrennungsmotors vorgegebenen Zeitpunkt stattfindet, für den zudem ein nur enges Zeitfenster zur Verfügung steht. Die Erfindung erleichtert es, die Verbrennung innerhalb dieses Zeitfensters vollständig durchzuführen. In der Folge kann ein größerer Teil des Brennstoffes oder Kraftstoffes als Energie genutzt und umgesetzt werden als bisher.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird als Plasmagenerator ein mit Niederspannung betreibbarer piezoelektrischer Transformator verwendet. Ein solcher kann in kompakter Bauweise hergestellt werden und mit den beispielsweise in Kraftfahrzeugen üblichen niedrigen Betriebsspannungen von beispielsweise 12, 24 oder 48 V auf der Eingangsseite betrieben werden.
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Mit einem solchen Plasmagenerator kann außerdem ein kaltes Plasma mit einer Temperatur von weniger als 50 °C erzeugt werden, welches die Vorrichtung und die dafür verwendeten Materialien nicht zu stark belastet und daher auch keine zu hohen Anforderungen an die Materialien des Reaktorraums stellt. Für die Ausbildung des Reaktorraums und des Gaseinlasses in den Verbrennraum können daher weitgehend die herkömmlichen Materialien verwendet werden.
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Vorteilhaft ist es jedoch, den Reaktorraum und die Verbindung zwischen Reaktorraum und Brennraum mit glatten und insbesondere inerten Oberflächen zu versehen, beziehungsweise mit einer inerten und glatten Beschichtung auszustatten. Inert bedeutet dabei, dass die Oberfläche keine ionischen oder radikalischen Reaktionen mit dem Plasma eingeht, wodurch die Konzentration an Radikalen und Ionen in der angereicherten Gasmenge reduziert werden könnte.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, den Reaktorraum räumlich möglichst nahe am Brennraum anzuordnen und die Verbindungen und Zuführungen dazwischen möglichst kurz auszuführen, um die Aufenthaltsdauer der mit Radikalen und Ionen angereichten gasförmigen Komponente darin zu minimieren. Auf diese Weise wird vermieden, dass die Konzentration an Radikalen und Ionen, die eine nur kurze Halbwertszeit besitzen, während des Transports zum Brennraum zu stark abnimmt. Unter „gasförmig“ werden im Sinne der Erfindung hier und im Folgenden auch sich wie Gase verhaltende Gemische wie z.B. auch fein verteilte Flüssigkeiten (Nebel) verstanden.
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Piezoelektrische Transformatoren (PT) erzeugen hohe elektrische Felder über den piezoelektrischen Effekt. Diese Felder sind in der Lage Gase und Flüssigkeiten durch elektrische Anregung zu ionisieren. An der Sekundärseite des PT erzeugt das elektrische Wechselfeld eine starke Polarisation, Anregung und Ionisation von Atomen und Molekülen. Diese Prozess erzeugt ein piezoelektrisch gezündetes Mikroplasma, PDP (Piezoelectric Discharge Plasma). PDPs haben Eigenschaften, die den typischen dielektrischen Barriereentladungen (DBD) entsprechen. PDPs können in einem weiten Druckbereich von 0,01 mbar und 2000 mbar gezündet werden, was insbesondere unterschiedlichen Anforderungen für die Verbrennung gerecht wird.
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Bei piezoelektrischen Transformatoren wird die primärseitig zugeführte Wechselspannung über die auf einen piezoelektrischen Kristall aufgedampften oder – in keramischer Ausführung – in den Keramikaufbau des Transformators eingebrannten Elektroden zunächst in eine mechanische Schwingung innerhalb des piezoelektrischen Körpers umgewandelt. Die Frequenz der mechanischen Schwingung ist dabei wesentlich von der Geometrie und dem mechanischen Aufbau abhängig.
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Dadurch bildet sich innerhalb des Transformators PT eine mechanische Welle aus, welche durch den piezoelektrischen Effekt auf der sekundärseitigen Elektrode eine Ausgangsspannung erzeugt. Die Höhe der sekundärseitigen Ausgangsspannung ist dabei unter anderem von der Geometrie des Kristallplättchens bzw. des Keramikkörpers und der Position der Elektroden abhängig.
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Zur Erzeugung von PDP (Piezoelectric Discharge Plasma) sind Piezoelektrische Transformatoren vom Typ Rosen (Rosen type PT) besonders geeignet, da dieser Typ hohe Leistungsdichten und sehr hohe Übersetzungsverhältnisse liefern. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines keramischen Vielschichtaufbaus mit innen liegenden Elektroden auf der Primärseite, da so besonders geringe Primärspannungen zum Zünden des Plasmas verwendet werden können. In der Praxis können so Transformationsverhältnisse von mehr als 1000 erreicht werden.
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Die piezoelektrischen Transformatoren werden erfindungsgemäß vorteilhaft bei ihren Resonanzfrequenzen betrieben. Frequenzen zwischen 10 kHz bis 500 kHz sind für das Zünden von PDP optimal.
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Wird der Leistungstreiber optimal an die Resonanz und an die Impedanz des PT angepasst, erfolgt die Konversion der mechanischen Schwingung in den Entladungsprozess mit hohem Wirkungsgrad. Das Betriebsverhalten des Systems unter Plasma erzeugenden Bedingungen unterscheidet sich stark vom elektrischen Kleinsignalverhalten des Systems. An der Schwelle, an der die Entladung zündet, steigt die Dämpfung des PT, die eingekoppelte Leistung steigt und die Resonanzfrequenz verschiebt sich. Um die PDP zu stabilisieren kann z.B. die Frequenz nachgeregelt werden (Frequenz Tracking).
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Brennraum der Vorrichtung einen Gasauslass auf, an dem oder hinter dem (in Gasflussrichtung gesehen) ein Sensor angeordnet ist, der über eine Feedbackschleife mit der Steuerungseinrichtung verbunden ist. Der Sensor ist zur Erfassung eines Wertes ausgelegt, der ein Maß für die Vollständigkeit der Verbrennung darstellt.
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Ein solcher Sensor ist beispielsweise dazu ausgelegt, die Konzentration unverbrannter Kohlenwasserstoffe zu bestimmen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Sensor wie eine Lambdasonde auszubilden und die Konzentration des Sauerstoffs in dem aus dem Brennraum abgeleiteten Abgas zu bestimmen. Beides ist ein Maß für die Vollständigkeit der Verbrennung im Brennraum.
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Die Steuerungseinrichtung kann nun dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit von dem vom Sensor bestimmten Wert über die Feedbackschleife den Plasmagenerator so zu regeln, dass die Konzentration an Radikalen und Ionen optimal eingestellt wird.
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In einer Ausführungsform wird der Plasmagenerator durch eine entsprechende eingekoppelte Primärleistung geregelt. Dies kann beispielsweise über die angelegte Betriebsspannung den dadurch induzierten Betriebsstrom erfolgen.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung einen Sensor zur Erfassung der Konzentration an Radikalen und Ionen in der oder den gasförmigen Komponenten vor dem Einlass in den Brennraum umfassen, beispielsweise einen Gas/Ionen-Sensor. Dieser Sensor kann vor dem Gaseinlass in den Brennraum angeordnet und ebenfalls mit der Steuerungseinrichtung verbunden werden.
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Diese Ausführung mit lediglich einem solchen Sensor setzt allerdings voraus, dass eine für die jeweiligen Verbrennungsbedingungen erforderliche optimale Konzentration an Radikalen und Ionen bekannt ist. Ein solcher Sensor kann dann sinnvoll sein, wenn die in den Brennraum einzubringende Menge an Luft/Brennstoff-Gemisch schnell und stark variiert. Mit einem solchen Sensor kann die dadurch variierende Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff/Luft-Gemisches kompensiert werden. Bei langsamerer Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich eine längere Aufenthaltsdauer im System und damit ein erhöhter Zerfall von Radikalen und Ionen vor dem Beginn der eigentlichen Verbrennung, der mit dieser Regelung ausgeglichen werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform wird im Reaktorraum nur ein Teil des Brennstoff/Luft-Gemisches mit Radikalen und Ionen angereichert. Dieser Teil kann in einem Volumenanteil bestehen. Möglich ist es jedoch auch, nur eine Komponente des Brennstoff/Luft-Gemisches mit Radikalen und Ionen anzureichern.
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Insbesondere im erstgenannten Fall kann die Konzentration an Radikalen und Ionen im Brennraum auf diese Weise durch das Mischungsverhältnis eines ersten und zweiten Teilstroms des Brennstoff/Luft-Gemisches gestellt und geregelt werden. Der zweite Teilstrom wird dann nicht über den Reaktorraum geführt und ist daher frei von Plasmaanteilen, also frei von Radikalen und Ionen.
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Somit ist es auch bei unveränderter Plasmageneratorleistung möglich, die Konzentration an Radikalen und Ionen im Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb des Brennraums einzustellen.
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Im Folgenden werden die Vorrichtung und das darin durchgeführte Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen allein der Veranschaulichung und dem besseren Verständnis der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Den Figuren können daher weder absolute noch relative Maßangaben entnommen werden.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der zwei Teilströme des Brennstoff/Luft-Gemisches in den Brennraum geführt werden,
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung, bei der das gesamte Brennstoff/Luft-Gemisch durch den Reaktor mit dem Plasmagenerator geleitet wird,
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der Luftanteil des Brennstoff/Luft-Gemisches über den Reaktorraum in den Verbrennungsraum eingeführt wird, während der Brennstoff direkt in den Verbrennungsraum eingeführt und insbesondere eingespritzt wird,
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4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Reaktorraums,
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5 zeigt schematisch einen für die Erfindung verwendbaren piezoelektrischen Transformator.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese besteht aus dem Brennraum BR und einem diesem vorgeschalteten Reaktorraum RR. Über einen Reaktorraumeinlass RE wird eine erste Komponente oder ein erster Teilstrom K1 des Brennstoff/Luft-Gemischs in den Reaktorraum RR eingeführt. Dort ist ein Plasmagenerator PG angeordnet, der gegebenenfalls durch besondere Zusatzmaßnahmen von dem eingebrachten Gas umspült wird. Der Plasmagenerator PG überführt einen Teil der ersten Komponente in ein Plasma beziehungsweise reichert die erste Komponente mit Radikalen und Ionen an.
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Aus dem Reaktorraum RR wird die mit Plasma angereicherte Komponente/ der Teilstrom über eine Plasmakomponentenzuleitung PZ aus dem Reaktorraum RR ausgeleitet. In der Plasmakomponentenzuleitung PZ ist ein Drosselventil DV angeordnet, über welches der Gasfluss eingestellt und insbesondere reduzieren werden kann.
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Eine zweite Komponente K2 des Brennstoff/Luft-Gemisches beziehungsweise ein zweiter Teilstrom des Brennstoff/Luft-Gemisches wird über eine Brennstoffzuführungsleitung BZ und einen Brennraumeinlass BE in den Brennraum BR eingeführt. Die Plasmakomponentenzuleitung PZ mündet nahe dem Brennraum in die Brennstoffzuführungsleitung BZ. Ebenfalls nahe dem Brennraumeinlass BE ist ein Gas/Ionensensor GIS angeordnet. Dieser Gas/Ionensensor GIS detektiert innerhalb der Brennstoffzuführungsleitung BZ einen Wert, der stellvertretend für den Plasmaanteil des Brennstoff/Luft-Gemisches ist. Beispielsweise kann der Sensor den Ionisierungsgrad des Gemisches bestimmen. Möglich ist es auch, den Ozongehalt des Gemisches zu bestimmen, welcher ebenfalls einen typischen Wert für das Plasmagehalt des Gemisches darstellt.
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Ein Ionensensor kann beispielsweise als Leitfähigkeitssensor ausgeführt sein. Dabei kann die Leitfähigkeit zwischen zwei im freien Abstand voneinander im Raum oder im vorgegebenen Abstand auf einer Oberfläche angeordneten Elektroden bestimmt werden, wenn die zu überbrückende Strecke vom plasmahaltigen Gemisch umspült wird.
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Der Brennraum BR selbst ist beispielsweise der Verbrennungsraum einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise eines Otto- oder Dieselmotors. Der Brennraum BR kann aber auch einem Heizkessel zugeordnet sein und ein reiner Wärmegenerator sein. Auf jeden Fall wird innerhalb des Brennraums BR das Brennstoff/Luft-Gemisch gezündet. Aufgrund des bereits anfänglich vorhandenen Anteils an Ionen und freien Radikalen ist die Zündung des Gemisches erleichtert und die Verbrennung läuft vollständiger ab.
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In einer Verbrennungskraftmaschine wird das Gemisch zusätzlich verdichtet und am gewünschten Zeitpunkt, insbesondere am Grad höchster Verdichtung mittels einer Zündquelle gezündet. In einem Brennraum BR eines thermischen Generators erfolgt eine kontinuierliche Zündung.
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Die aus der Verbrennung des Gemisches resultierenden Abgase werden über einen Brennraumauslass BA aus dem Brennraum BR herausgeführt. Bei einer Verbrennungskraftmaschine erfolgt dies im Takt des Motors, bei einem thermischen Generator dagegen üblicherweise kontinuierlich.
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Weiter verfügt die Vorrichtung über eine Feedbackschleife FB, die den Gas/Ionensensor GIS mit einer Steuerungseinrichtung SE verbindet. Die Steuerungseinrichtung wiederum ist mit dem Plasmagenerator PG verbunden und regelt dessen Plasmaerzeugung, beispielsweise über die zur Verfügung gestellte Leistung, insbesondere über eine Spannung.
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Es kann weiter ein am oder hinter dem Brennraumauslass BA angeordneter Sensor und eine Feedbackschleife FB vorgesehen sein. Der Sensor ist dazu ausgelegt, einen Wert zu erfassen, der ein Maß für die Vollständigkeit der Verbrennung darstellt. Über die Feedbackschleife kann dieser Wert von der Steuerungseinrichtung zur Regelung des Plasmagenerators und damit zur Verbesserung der Verbrennungsleistung im Brennraum genutzt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführung wird als Plasmagenerator PG ein piezoelektrischer Transformator (siehe auch 5) verwendet. Dieser ist beispielsweise stabförmig ausgebildet und weist an der Primärseite einen Mehrschichtaufbau auf, in dem sich piezoelektrische Keramikschichten und dazugehörige Elektroden abwechseln. Die Elektroden können alternierend mit unterschiedlichen Polen der angelegten Primärspannung beaufschlagt werden.
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Ein für die Erfindung geeigneter Plasmagenerator wird beispielsweise von der Firma EPCOS unter dem Namen CeraPLASTM vertrieben. Er basiert auf einem stabförmigem PZT-Keramikkörper (PZT = Bleizirkonattitanat) mit Mehrschichtaufbau und weist kupferhaltige Elektroden auf.
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Der piezoelektrische Transformator ist ein Rosentransformator oder Rosen-typ Transformator, wird mit Wechselspannung beaufschlagt und erzeugt eine longitudinale Schwingung in dem stabförmigen Keramikkörper. Eine longitudinale Welle kann dann an den beiden Enden des stabförmigen Keramikkörpers mittels dort angebrachter Sekundärelektroden abgegriffen werden. Auf der Sekundärseite lassen sich so Spannungstransformationsverhältnisse bis zum Faktor 1000 einstellen. Dies bedeutet bei einer Eingangsspannung von beispielsweise 12 V eine Ausgangsspannung im Bereich von 10 bis 15 KV. Durch geeignete Elektrodengestaltung am Stabende der Sekundärseite kann dort durch Entladung ein Plasma gezündet bzw. erzeugt werden.
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Das Plasma selbst wird durch einen Prozess ähnlich einer dielektrischen Barrierenentladung an einer Austrittselektrode erzeugt. Es ist jedoch keine Gegenelektrode in der Nähe der Austrittselektrode erforderlich. Die Austrittselektrode ist vorzugsweise an einer Kante des Keramikkörpers an die Oberfläche geführt und kann dort über die Hochspannungsentladung das Plasma erzeugen.
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Die Feedbackschleife FS dient nun dazu, den kurz vor dem Brennraumeinlass BE bestimmten Plasmagehalt der Gaskomponente K1 über die Feedbackschleife und die Steuerungseinrichtung SE zu regeln, vorzugsweise indem dessen Leistung, sprich dessen Plasmaerzeugung geregelt wird.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung im schematischen Querschnitt. In dieser Ausführung wird das gesamte Brennstoff/Luft-Gemisch mittels einer Brennstoffzuleitung BZ in den Reaktorraum RR eingeführt und dort über einen Plasmagenerator (in der 2 nicht extra dargestellt) mit freien Radikalen und Ionen angereichert. Das angereicherte Brennstoff/Luft-Gemisch wird nun über eine kombinierte Plasmakomponentenzuleitung / Brennstoffzuführungsleitung PZ/BZ hin zum Brennraum BR geführt. Nahe des Brennraums ist wieder ein Gas/Ionensensor GIS angeordnet, der den Plasmagehalt, insbesondere den Gehalt an freien Radikalen und/oder Ionen in dem angereicherten Gemisch detektieren kann.
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Der Einlass zum Brennraum BR kann ein einfaches Ventil oder eine Düse sein. Über eine in dieser Figur nicht dargestellte Feedbackschleife FS wird die Leistung des Plasmagenerators über eine Steuerungseinrichtung SE in Abhängigkeit von der gemessenen Plasmakonzentration vorgegebenen optimalen Wert geregelt.
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Der vorgegebene optimale Wert kann bekannt sein, oder von weiteren Betriebsparametern im Brennraums BR abhängig gemacht werden oder sein. Bei einer Verbrennungskraftmaschine beispielsweise von der abgerufenen Leistung oder von der Menge der pro Zeiteinheit in den Brennraum BR eingeführten Brennstoff/Luft-Mischung. In dieser Ausführung wird das Verhältnis Brennstoff zu Luft im Gemisch auf einer Stufe vor dem Reaktorraum RR eingestellt. Die Plasmaanregung erfolgt also im Brennstoff/Luft-Gemisch und nicht nur in einer Komponente davon, wie bei der Vorrichtung nach 1.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese ist ähnlich wie die Vorrichtung nach 2 aufgebaut, unterscheidet sich von dieser jedoch darin, dass ausschließlich die Luftkomponente K1 mit Plasma angereichert und über die Plasmakomponentenzuleitung PZ in den Reaktorraum RR eingeführt wird. Die mit Plasma angereicherte Luftkomponente wird direkt in den Brennraum BR übergeleitet. Die Brennstoff-Komponente K2 selbst wird separat über eine Brennstoffzuführungsleitung BZ in den Brennraum BR eingeleitet und insbesondere eingespritzt. Auch hier ist wieder ein Gas/Ionensensor GIS in der Plasmakomponentenzuleitung PZ nahe dem Einlass zum Brennraum BR angeordnet und über eine Feedbackschleife mit der Steuerungseinrichtung (in der Figur nicht dargestellt) und dem Plasmagenerator (ebenfalls nicht dargestellt) verbunden.
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Diese Ausführungsform erlaubt es, über den Anteil der in dem Brennraum BR eingeführten mit Plasma angereicherten Luft die dort herrschende Konzentration an Ionen und Radikalen einzustellen. Möglich ist es jedoch auch, ein konstantes Verhältnis an angereicherter Luft zu eingespritztem Brennstoff einzustellen beziehungsweise dieses Verhältnis vom Betriebszustand des Brennraums, mithin von der Leistung der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise des thermischen Generators abhängig zu gestalten.
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4 zeigt im schematischen Querschnitt einen Reaktorraum, wie er bei der Erfindung zur Erzeugung eines mit Plasma angereicherten Brennstoff/Luft-Gemisches eingesetzt werden kann.
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Der Reaktorraum RR ist mit einem Reaktorraumeinlass RE und einem Reaktorraumauslass RA versehen, die vorzugsweise einander gegenüberliegend angeordnet sind. Innerhalb des Reaktorraums RR ist zumindest der Plasmagenerator PG angeordnet, vorzugsweise – wie in der Figur dargestellt – auch eine dazugehörige elektrische Ansteuereinheit SP.
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Aufgrund der Bauweise des Plasmagenerators PG, der als piezoelektrischer Transformator mit einer dielektrischen Barrierenentladung an der Sekundärseite, also am Hochspannungsende ausgebildet ist, entwickelt sich an dem Ende eine Plasmawolke, an dem die Entladung aus dem Keramikkörper des Transformators austritt.
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Vorzugsweise ist im oder direkt nach dem Reaktorraumeinlass RE ein Lüfter L angeordnet, der für eine Luftbewegung innerhalb des Reaktorraums RR sorgt, sodass der erzeugte Luftstrom den Plasmagenerator PG umspülen kann. Ist zusätzlich noch der Reaktorraumauslass RA geöffnet, so ergibt sich eine Luftströmung, die die Plasmawolke P in Richtung Reaktorraumauslass RA treibt, sodass sich an jedem Entladungspunkt eine im Wesentlichen wie dargestellt kegelförmige Plasmawolke P entwickelt. Die Lüftung wird dabei so eingestellt, dass das den Reaktorraum RR durchströmende Gas beziehungsweise die Komponente des Brennstoff/Luft-Gemisches oder das gesamte Gemisch im Bereich des Reaktorraumauslasses RA homogen mit Radikalen und Ionen, also homogen mit Plasmaanteilen angereichert wird.
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5 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau eines als Plasmagenerator PG einsetzbaren piezoelektrischen Transformators. Er weist beispielsweise die Form eines langgestreckten Quaders, also einen stabförmigen Aufbau auf. Auf der in der Figur links dargestellten Primärseite, der Niederspannungsseite, weist der Quader einen Mehrschichtaufbau MA auf, in dem sich Elektrodenschichten, vorzugsweise aus Kupfer mit piezoelektrischen Schichten, vorzugsweise aus PZT-Keramik, abwechseln. Der Mehrschichtaufbau MA insgesamt ist mit einer Niederspannungsquelle SQP verbunden, die die Elektrodenschichten alternierend mit einer AC Niederspannung verbinden.
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Die Sekundärseite, also die Hochspannungsseite des piezoelektrischen Transformators, erstreckt sich ungefähr über die Hälfte des keramischen Transformatorkörpers und weist keine inneren Elektrodenschichten auf. Die Sekundärseite umfasst ein einziges piezoelektrisches Piezoelement, dessen Elektroden an den Stirnseiten, also an den Enden des Stabes, quer zu der Schichtebene angeordnet sind. Die Sekundärspannung SV liegt dann zwischen einer Elektrode der Primärseite und einer Stirnflächenelektrode SE an.
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Eine Sekundärelektrode SE ist an der Hochspannungsseite nahe der oder bis zur Oberfläche des keramischen Grundkörpers geführt, sodass dort eine Entladung stattfinden kann. In 5 ist dies die rechte Stirnfläche beziehungsweise eine der Kanten der rechten Stirnfläche. Die Elektrode ist so an die Oberfläche geführt, dass die Hochspannungsentladung gezielt an einzelnen Punkten stattfinden kann, sodass sich dort deren Energie konzentriert und die Plasmaerzeugung verbessert ist, beziehungsweise dass sich so die Plasmaausbeute maximieren lässt. Alternativ kann die Stirnfläche an der Austrittsseite auch konvex ausgebildet sein oder die Ecken und Kanten abgerundet sein, um das Plasma über einer breiteren Austrittsfläche zu zünden.
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Die elektrische Ansteuereinheit SP des piezoelektrischen Transformators umfasst eine HF-Quelle, deren Signal auf der Primärseite an den Elektroden anliegt. Die Ansteuereinheit SP umfasst weiter einen Spannungsregler, über den die Leistung des Plasmagenerators PG eingestellt werden kann. Weiterhin kann die elektrische Ansteuereinheit SP zumindest Teile der Steuerungseinrichtung SE oder diese vollständig umfassen.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelingt die Erzeugung freier Radikaler und Ionen in einem Reaktorraum getrennt vom Verbrennungsraum durch Ionisierung zumindest einer Komponente des Brennstoff/Luft-Gemisches an Ecken und Kanten oder an der Stirnfläche der Hochspannungsseite des piezoelektrischen Transformators. Mit der Vorrichtung gelingt es, eine kontrollierte Menge an freien Radikalen in dem Verbrennungsraum einzubringen.
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Eine Einstellung der Menge an freien Radikalen und Ionen gelingt durch geregeltes Mischen. Eine erste Komponente K1 ist dabei die den Reaktorraum durchströmende Komponente. Die andere Komponente ist der zum Gesamtbrennstoff/Luft-Gemisch fehlende Rest, insbesondere der Brennstoff. Die andere Komponente kann jedoch auch eine Brennstoff/Luft-Mischung umfassen. Möglich ist es auch, die Kontrolle der Menge an freien Radikalen und Ionen im Verbrennungsraum allein durch die Leistung des Plasmagenerators zu kontrollieren.
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Dadurch, dass der Reaktorraum RR vom Brennraum BR getrennt ist, ist es überhaupt erst möglich, einen piezoelektrischen Transformator zum Erzeugen der Hochspannung für den Plasmagenerator einzusetzen. Ventile, Drosseln und Öffnungen für die geregelte Zufuhr von Gaskomponenten oder Brennstoff/Luft-Gemischkomponenten sind an den Zuführungsleitungen für die Komponenten und/oder am Reaktorraumeinlass RE vorgesehen.
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Mit dem optionalen Lüfter, der vorzugsweise am Eingang des Reaktorraums vorgesehen ist, gelingt eine gute Durchmischung der den Reaktorraum durchströmenden Gemischkomponente. Das Vorsehen des Plasmagenerators im Reaktorraum ist kostengünstiger und mit geringerem technischem Aufwand zu gestalten als die erst im Stand der Technik bekannte Anordnung eines Plasmagenerators im Brennraum.
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Erfindungsgemäß ist für den Plasmagenerator und den Reaktorraum keine hochtemperaturbeständige Lösung erforderlich, da hohe Temperaturen ausschließlich im Verbrennungsraum auftreten können. Der Plasmagenerator kann außerdem mit einer geringen Versorgungsspannung von beispielsweise 12 V und einer geringen Leistung verwendet werden. Es sind für die erfindungsgemäße Vorrichtung daher keine Hochspannungsleitungen und/oder Hochspannungsstecker erforderlich.
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Je nach Ausführung sind verschiedene Möglichkeiten angegeben, die benötigte Menge an freien Radikalen in einfacher Weise zu regeln.
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Die Erfindung wurde nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt, ist aber nicht auf diese beschränkt. Insbesondere geben die in den Figuren dargestellten Ausführungen keine Vorschrift zur genauen Ausgestaltung der Vorrichtung an. Die Ausgestaltung der Vorrichtung und die Durchführung des Verfahrens sind ausschließlich durch die Ansprüche definiert und in deren Rahmen abwandelbar. Als erfindungsgemäß werden auch Kombinationen und Unterkombinationen von Merkmalen angesehen, sofern diese neu sind, selbst wenn sie nicht in der durch die Ansprüche gegebenen Kombination vorliegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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