DE102018124761B4 - Device and method for igniting a fuel mixture in the combustion chamber of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zündung eines Brennstoffgemisches im Brennraum (3) einer Brennkraftmaschine, umfassend zumindest einen Mikrowellengenerator (1) mit zumindest einem Mikrowellensender, mittels dessen die Zündung des Brennstoffgemisches durch Mikrowellenbestrahlung des Brennstoffgemisches unterstützt und/oder initiiert wird. Wesentlich ist, dass die Vorrichtung (4) ein variables und/oder gesteuertes Anpassnetzwerk (2) zur Impedanzanpassung der Mikrowellenstrahlung an die sich zeitlich ändernde Impedanz des Brennraums bei einer konstanten Mikrowellenfrequenz umfasst. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Zündung eines Brennstoffgemisches im Brennraum (3) einer Brennkraftmaschine durch die Beaufschlagung mit Mikrowellenstrahlung. The invention relates to a device for igniting a fuel mixture in the combustion chamber (3) of an internal combustion engine, comprising at least one microwave generator (1) with at least one microwave transmitter, by means of which the ignition of the fuel mixture is supported and/or initiated by microwave irradiation of the fuel mixture. It is essential that the device (4) comprises a variable and/or controlled matching network (2) for impedance matching of the microwave radiation to the impedance of the combustion chamber that changes over time at a constant microwave frequency. The invention also relates to a method for igniting a fuel mixture in the combustion chamber (3) of an internal combustion engine by subjecting it to microwave radiation.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zündung eines Brennstoffgemischs im Brennraum einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Zündung eines Brennstoffgemischs im Brennraum einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.The invention relates to a device for igniting a fuel mixture in the combustion chamber of an internal combustion engine according to the preamble of
Im Zusammenhang mit Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise für Verbrennungsmotoren, Hubkolbenmotoren oder Gasturbinen steht die Verbrauchsreduzierung von Kraftstoffen sowie die Einhaltung der Grenzen für Schadstoffemissionen im Fokus der aktuellen Entwicklung. Einen erheblichen Einfluss hat hier die Zündung des Brennstoffgemisches im Brennraum der Brennkraftmaschine. Traditionelle Zündungskonzepte sehen eine Zündung des Brennstoffgemisches, üblicherweise ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, mit Hilfe eines Funkenüberschlages (Zündfunken) vor. Dabei breitet sich der Zündverlauf üblicherweise durch Multifunkenzündung im Brennraum aus.In connection with internal combustion engines, such as for internal combustion engines, reciprocating engines or gas turbines, the reduction in fuel consumption and compliance with the limits for pollutant emissions are the focus of current development. The ignition of the fuel mixture in the combustion chamber of the internal combustion engine has a significant influence here. Traditional ignition concepts envisage ignition of the fuel mixture, usually a fuel-air mixture, with the aid of a sparkover (ignition spark). The ignition process usually spreads through multi-spark ignition in the combustion chamber.
Nachteilig an diesen aus dem Stand der Technik vorbekannten Verfahren ist, dass durch den Zündfunken auch der atmosphärische Stickstoff ionisiert wird und unerwünschte Stickstoffverbindungen leicht entstehen, die belastend für die Umwelt sind. Außerdem wird keine vollständige Verbrennung des Brennstoffgemisches erreicht. Dadurch erhöhen sich die Schadstoffemissionen und es entsteht ein höherer Verbrauch, ohne dass in dieser Zündungsphase eine nennenswerte Leistung erzeugt wird.The disadvantage of these methods, which are already known from the prior art, is that the ignition spark also ionizes the atmospheric nitrogen and unwanted nitrogen compounds that are harmful to the environment are easily formed. In addition, complete combustion of the fuel mixture is not achieved. As a result, the pollutant emissions increase and there is higher consumption without any significant power being generated in this ignition phase.
Alternativ ist es bekannt, für die Zündung des Brennstoffgemisches Mikrowellen einzusetzen. Bei diesem Verfahren wird üblicherweise das Absorptionsvermögen von langkettigen Kohlenwasserstoffen für gepulste Mikrowellenstrahlung ausgenutzt, die zum Aufbrechen der langkettigen Kohlenwasserstoffe führt und über die entstehenden Radikale eine Radikalkettenreaktion und damit einen Verbrennungsvorgang auslöst. Diese Zündverfahren sind auch als Plasmazündung bekannt.Alternatively, it is known to use microwaves to ignite the fuel mixture. In this process, the absorption capacity of long-chain hydrocarbons for pulsed microwave radiation is usually used, which leads to the break-up of the long-chain hydrocarbons and, via the radicals formed, triggers a radical chain reaction and thus a combustion process. These ignition methods are also known as plasma ignition.
Beispielsweise ist aus der
Weiter ist aus der Druckschrift
Trotz gewisser Verbesserungen gegenüber der traditionellen Zündung mit Zündkerze weisen die Mikrowellenzündungen weiterhin eine verbesserungsbedürftige Abgaszusammensetzung und insbesondere einen reduktionsbedürftigen Stickoxidgehalt auf.Despite certain improvements compared to the traditional ignition with spark plugs, microwave ignitions still have an exhaust gas composition that needs improvement and, in particular, a nitrogen oxide content that needs to be reduced.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Zündung eines Brennstoffgemisches vorzuschlagen, das eine verringerte Schadstoffbelastung, insbesondere Stickoxidbelastung, der Abgase aufweist. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung finden sich in den Ansprüchen 2 bis 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfinderungemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 11 bis 14. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung einbezogen.The present invention is therefore based on the object of proposing a device and a method for igniting a fuel mixture which has a reduced pollutant load, in particular nitrogen oxide load, in the exhaust gases. This object is achieved by a device according to
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zündung eines Brennstoffgemisches im Brennraum einer Brennkraftmaschine umfasst, wie an sich bekannt, einen Mikrowellengenerator mit zumindest einem Mikrowellensender, mittels dessen die Zündung des Brennstoffgemisches durch Mikrowellenbestrahlung des Brennstoffgemisches unterstützt und/oder initiiert wird.The device according to the invention for igniting a fuel mixture in the combustion chamber of an internal combustion engine comprises, as is known, a microwave generator with at least one microwave transmitter, by means of which the ignition of the fuel mixture is supported and/or initiated by microwave irradiation of the fuel mixture.
Wesentlich ist, dass die Vorrichtung ein variables und/oder gesteuertes Anpassnetzwerk zur Impedanzanpassung des Mikrowellensenders mit der sich zeitlich ändernden Impedanz des Brennraums bei einer konstanten Mikrowellenfrequenz umfasst.It is essential that the device comprises a variable and/or controlled matching network for impedance matching of the microwave transmitter with the impedance of the combustion chamber, which changes over time, at a constant microwave frequency.
Die Vorrichtung umfasst also ein variables und/oder gesteuertes Anpassnetzwerk zur Impedanzanpassung des Mikrowellensenders an die sich zeitlich ändernde Impedanz des Brennraums der Brennkraftmaschine und dadurch auch einer entsprechenden Anpassung der Impendanz der Mikrowellenstrahlung.The device thus includes a variable and/or controlled matching network for impedance matching of the microwave transmitter to the impedance of the combustion chamber of the internal combustion engine, which changes over time, and thereby also a corresponding matching of the impedance of the microwave radiation.
Dabei liegt es sowohl im Rahmen der Erfindung, dass die Zündung des Brennstoffgemisches im Brennraum in Form einer Raumzündung durch die Mikrowellenbestrahlung des Brennstoffgemisches ausgelöst wird. Ebenso ist es möglich, dass durch die Mikrowellenbestrahlung lediglich ein Plasma erzeugt wird, welches durch den Einsatz einer Zündkerze gezündet wird, die Zündung durch die Mikrowellenbestrahlung also lediglich unterstützt wird. Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich der Vorteil, dass durch die vorherige Mikrowellen-Anregung des Brennstoff-Luft-Gemisches deutlich weniger Energie zur tatsächlichen Zündung benötigt wird. Das Plasma entsteht dabei aus dem Brennstoffgemisch im Brennraum, welches durch die Mikrowellenbestrahlung angeregt wird.It is within the scope of the invention that the ignition of the fuel mixture in the combustion chamber is triggered in the form of a space ignition by the microwave irradiation of the fuel mixture. It is also possible that only a plasma is generated by the microwave irradiation, which is ignited by the use of a spark plug, ie the ignition is only supported by the microwave irradiation. This configuration has the advantage that the previous microwave excitation of the fuel-air mixture significantly less energy is required for actual ignition. The plasma is created from the fuel mixture in the combustion chamber, which is excited by the microwave radiation.
Vorteilhafterweise wird durch die Mikrowellenbestrahlung eine möglichst homogene Feldverteilung erreicht. Dies kann sowohl mit gepulster als auch kontinuierlicher Mikrowellenstrahlung erfolgen.A field distribution that is as homogeneous as possible is advantageously achieved by the microwave irradiation. This can be done with either pulsed or continuous microwave radiation.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich somit in wesentlichen Aspekten von vorbekannten Vorrichtungen:
- Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik vorbekannten Vorrichtungen, weist die Vorrichtung ein variables, gesteuertes Anpassnetzwerk zur Impedanzanpassung des Mikrowellensenders mit dem zeitlich sich verändernden Brennraum auf. Im Gegensatz zum Stand der Technik bleibt hier die Mikrowellenfrequenz konstant, so dass positiven Aspekte der Absorption in vorbestimmbaren Molekülen erhalten bleiben, während aufgrund der Impedanzanpassung ein hoher Leistungseintrag erreicht wird. Dadurch wird eine bestmögliche Einkopplung der Mikrowellenstrahlung gewährleistet.
- In contrast to the devices already known from the prior art, the device has a variable, controlled matching network for impedance matching of the microwave transmitter with the combustion chamber that changes over time. In contrast to the prior art, the microwave frequency remains constant here, so that positive aspects of the absorption in predeterminable molecules are retained, while a high power input is achieved due to the impedance matching. This ensures the best possible coupling of the microwave radiation.
In der Zusammenwirkung nehmen Brennstoffverbrauch, Stickoxidanteil und Rußpartikelanzahl ab.In combination, fuel consumption, the proportion of nitrogen oxides and the number of soot particles decrease.
Vorzugsweise wird in dem Brennraum ein Nichtgleichgewichtsplasma erzeugt. Ein Nichtgleichgewichtsplasma enthält im Gegensatz zu einem thermischen Plasma einen hohen Anteil an aktivierten und energiereichen Molekülen oder Atomen. Insbesondere kommt es in einem Nichtgleichgewichtsplasma zur Bildung von Radikalen, welche eine radikale Kettenreaktion starten und/oder aufrechterhalten können. Hierdurch ist eine zuverlässige Zündung magerer Gemische möglich.A non-equilibrium plasma is preferably generated in the combustion chamber. In contrast to a thermal plasma, a non-equilibrium plasma contains a high proportion of activated and high-energy molecules or atoms. In particular, in a non-equilibrium plasma, radicals are formed which can start and/or maintain a radical chain reaction. This enables reliable ignition of lean mixtures.
Vorzugsweise ist das Brennstoffgemisch ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft. Optional kann Wasser zugesetzt werden. In dieser Ausführungsform strahlt der Mikrowellensender vorzugsweise zusätzlich gezielt Frequenzen im Bereich der Absorptionsfrequenzen von Wasserdampf in den Brennraum. Dabei liegt die Zündung magerer Gemische im Rahmen der Erfindung.Preferably the fuel mixture is a mixture of fuel and air. Optionally, water can be added. In this embodiment, the microwave transmitter preferably also specifically radiates frequencies in the range of the absorption frequencies of water vapor into the combustion chamber. The ignition of lean mixtures is within the scope of the invention.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Mikrowellenstrahlung eine Mikrowellenfrequenz im Bereich der Absorptionsfrequenz von Sauerstoff, ungefähr 60 GHz und/oder ungefähr 118 GHz, und/oder der Absorptionsfrequenz von Ozon, bei ungefähr 166 GHz und/oder 184 GHz und/oder 196 GHz, und/oder einer anderen Absorptionsfrequenz einer Komponente im Brennstoffgemisch, auf.In a preferred embodiment of the invention, the microwave radiation has a microwave frequency in the range of the absorption frequency of oxygen, about 60 GHz and/or about 118 GHz, and/or the absorption frequency of ozone, at about 166 GHz and/or 184 GHz and/or 196 GHz , and/or another absorption frequency of a component in the fuel mixture.
Vorteilhafterweise erfolgt eine Anregung der Sauerstoffmoleküle und/oder Ozonmoleküle durch den Einsatz einer Mikrowellenfrequenz im Bereich der Absorption von Sauerstoff und/oder Ozon. Dadurch werden gezielt Sauerstoffmoleküle und/oder Ozonmoleküle dissoziiert. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch das Verhältnis von dissoziierten Sauerstoffverbindungen zu Stickstoffverbindungen deutlich weniger Stickstoff angeregt wird als bei Plasmazündungen anderer Frequenz, so dass bei der Verbrennung weniger Stickoxide entstehen. Darüber hinaus kann durch die hohe Leistungsdichte der hochfrequenten elektromagnetischen Felder der Mikrowellenstrahlung in dem Brennraum eine vollständigere Verbrennung des Brennstoffgemisches erreicht werden.Advantageously, the oxygen molecules and/or ozone molecules are excited by using a microwave frequency in the absorption range of oxygen and/or ozone. As a result, oxygen molecules and/or ozone molecules are dissociated in a targeted manner. This results in the advantage that, due to the ratio of dissociated oxygen compounds to nitrogen compounds, significantly less nitrogen is excited than with plasma ignitions of a different frequency, so that fewer nitrogen oxides are produced during combustion. In addition, due to the high power density of the high-frequency electromagnetic fields of the microwave radiation in the combustion chamber, more complete combustion of the fuel mixture can be achieved.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Anpassnetzwerk zur Impedanzanpassung der Mikrowellenstrahlung derart ausgestaltet, dass bei einer konstanten Mikrowellenfrequenz eine Impedanzanpassung der Mikrowellenstrahlung an eine sich zeitlich verändernde Impedanz des Brennraums angepasst wird. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die an die sich zeitlich verändernde Impedanz des Brennraums angepasste Mikrowellenstrahlung eine bestmögliche Einkopplung der Leistung der Mikrowellen bzw. Millimeterwellen ermöglicht.In an advantageous embodiment of the invention, the matching network for impedance matching of the microwave radiation is designed in such a way that, at a constant microwave frequency, an impedance matching of the microwave radiation is matched to an impedance of the combustion chamber that changes over time. This has the advantage that the microwave radiation, which is adapted to the impedance of the combustion chamber that changes over time, enables the best possible coupling of the power of the microwaves or millimeter waves.
Die Impedanz des Brennraums verändert sich zeitlich in Abhängigkeit von Parametern wie beispielsweise Volumen des Brennraums, Zusammensetzung des Brennstoffgemisches, herrschende Temperatur, sowie herrschenden Druck, eingestrahlte Frequenz und ähnlicher Faktoren. Die Impedanz des Brennraums lässt sich daher als Funktion der genannten Parameter (Brennraum-Parameter) beschreiben. Dabei kann beispielsweise das Volumen durch den Drehwinkel des Kolbens bestimmt sein. Die Zusammensetzung des Brennstoffgemisches ändert sich durch Rußpartikel aus Zündvorgängen und Zufuhr neuen Brennstoffs. Druck und Temperatur variieren mit Laufzeit des Motors usw.The impedance of the combustion chamber changes over time as a function of parameters such as the volume of the combustion chamber, the composition of the fuel mixture, the prevailing temperature and the prevailing pressure, the radiated frequency and similar factors. The impedance of the combustion chamber can therefore be described as a function of the parameters mentioned (combustion chamber parameters). In this case, for example, the volume can be determined by the angle of rotation of the piston. The composition of the fuel mixture changes due to soot particles from ignition processes and the supply of new fuel. Pressure and temperature will vary with engine run time etc.
Vorzugsweise sollte zur optimalen Mikrowellen-Leistungsanpassung die Impedanz des Mikrowellen-Senders und der Mikrowellen-Last, hier der Brennraum, konjungiert komplex zueinander sein. Die Impedanz des Mikrowellen-Senders wird beschrieben durch Gleichung 1.
In Gleichung 1 ist Zs die Impedanz des Mikrowellen-Senders, dessen Realteil Rs und dessen Imaginärteil Xs ist. Die Impedanz des Brennraums (Mikrowellen-Last) wird beschrieben durch Gleichung 2.
In Gleichung 2 ist ZB die Impedanz des Brennraums, dessen Realteil RB und dessen Imaginärteil XB ist. Realteil und Imaginärteil des Brennraums sind abhängig von den Brennraum-Parametern, wie der sich zeitlich verändernden Brennraumgeometrie, der Temperatur T und des Drucks p, sowie der Gaszusammensetzung und anderer Parameter wie der Senderfrequenzen fi wie in Gleichung 3 und 4 beschrieben.
Die optimale Hochfrequenzleistungsanpassung zwischen Mikrowellen-Sender und Brennraum erfolgt, wenn Mikrowellen-Sender und Brennraum konjugiert komplex angepasst sind, das heißt die Gleichungen 5 und 6 erfüllt sind.
Zs ist das variable Anpassnetzwerk des Senders und ZB die sich zeitlich ändernde Impedanz des Brennraums (siehe Beschreibung zu
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Anpassnetzwerk als geregelter Topfkreis oder Hohlraumresonator ausgebildet. Alternativ kann das Anpassnetzwerk als elektronisch geregelter Hochfrequenz-Leistungshalbleiterschaltkreis, vorzugsweise in GaN-Technologie ausgeführt, realisiert werden.In a preferred development of the invention, the matching network is designed as a controlled pot circuit or cavity resonator. Alternatively, the matching network can be implemented as an electronically controlled high-frequency power semiconductor circuit, preferably implemented using GaN technology.
Vorzugsweise ist der Mikrowellengenerator zur Ausstrahlung von Hochleistungs-Hochfrequenz-Impulsen zur Zündung des Brennstoffgemisches ausgestaltet. Zusätzlich oder alternativ ist der Mikrowellengenerator zu kontinuierlichen Ausstrahlung von Mikrowellenstrahlung einer konstanten Mikrowellenfrequenz für eine Plasmaanregung des Brennstoffgemischs ausgestaltet. So kann alternativ zwischen verschiedenen Zündungsformen ausgewählt werden.The microwave generator is preferably designed to emit high-power, high-frequency pulses to ignite the fuel mixture. Additionally or alternatively, the microwave generator is designed to continuously emit microwave radiation at a constant microwave frequency for plasma excitation of the fuel mixture. You can alternatively choose between different types of ignition.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung zumindest eine Zündkerze zur Zündung des angeregten Plasmas des Brennstoffgemisches auf.In an alternative embodiment of the invention, the device has at least one spark plug for igniting the excited plasma of the fuel mixture.
Wie oben beschrieben, kann durch Mikrowellenbestrahlung des Brennstoffgemisches im Brennraum ein Nichtgleichgewichtsplasma erzeugt werden. Dieses Nichtgleichgewichtsplasma kann durch Zündung mittels einer Zündkerze verbrannt werden. Vorteilhaft an der vorherigen Anregung des Plasmas ist, dass deutlich weniger Energie verbraucht wird und weniger Schadstoffe zurückbleiben.As described above, a non-equilibrium plasma can be generated by microwave irradiation of the fuel mixture in the combustion chamber. This non-equilibrium plasma can be burned off by ignition using a spark plug. The advantage of excitation of the plasma beforehand is that significantly less energy is consumed and fewer pollutants remain.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung umfasst ein Brennraumfenster aus Diamant zur Einkopplung der Mikrowellenstrahlung in den Brennraum. Ein Diamantfenster ist mikrowellentransparent, inert, weist eine gute thermische Leitfähigkeit auf und hält hohen Temperaturen sowie Drücken Stand. Dadurch kann das ganze Brennraumvolumen mit einer hohen Leistung bestrahlt werden. Dies ermöglicht eine Entkopplung des hohen Drucks im Brennraum von dem Wellenleiter des Mikrowellengenerators. Zusätzlich können die hohen Temperaturen durch die gute Wärmeleitfähigkeit von Diamant an das den Brennraum umgebene Material bzw. die Umgebung abgegeben werden. Die Einkopplung durch ein Diamantfenster ermöglicht eine hohe Leistungsdichte des hochfrequenten elektromagnetischen Feldes in einem großen Bereich des Brennraums, so dass das Brennstoffgemisch vollständiger verbrannt werden kann.An advantageous development of the device includes a combustion chamber window made of diamond for coupling the microwave radiation into the combustion chamber. A diamond window is microwave-transparent, inert, has good thermal conductivity and withstands high temperatures and pressures. This means that the entire volume of the combustion chamber can be irradiated with high power. This enables the high pressure in the combustion chamber to be decoupled from the waveguide of the microwave generator. In addition, the high temperatures can be released to the material surrounding the combustion chamber or the environment due to the good thermal conductivity of diamond. The coupling through a diamond window enables a high power density of the high-frequency electromagnetic field in a large area of the combustion chamber, so that the fuel mixture can be burned more completely.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, ist die Vorrichtung mit einer Steuereinheit ausgebildet, die zur Steuerung der Mikrowellenimpedanz mit dem Anpassnetzwerk zusammenwirkend angeordnet und ausgebildet ist. Die Steuereinheit erfasst Brennraum-Parameter wie Druck, Volumen, Temperatur, Gaszusammensetzung und/oder Plasmazusammensetzung sowie weitere Motorzustandsparameter. Diese werden bei der Steuerung des Anpassnetzwerks zur Impedanzanpassung für die Mikrowellenstrahlung vorzugsweise gemäß den oben beschriebenen Gleichungen 1 bis 6 eingesetzt.In a further advantageous embodiment of the invention, the device is designed with a control unit which is arranged and designed to interact with the matching network to control the microwave impedance. The control unit records combustion chamber parameters such as pressure, volume, temperature, gas composition and/or plasma composition and other engine condition parameters. These are preferably used in the control of the matching network for impedance matching for the microwave radiation in accordance with
Die sich periodisch ändernde Impedanz des Brennraums während des Betriebs des Verbrennungsmotors ist durch Daten, die durch Messung und/oder Simulation ermittelt wurden, zu jedem Betriebspunkt bekannt. Der Millimeterwellensender des Mikrolwellengenerators sollte daher zur optimalen Leistungsanpassung eine Ausgangsimpedanz aufweisen, die vorteilhafterweise konjugiert komplex zur Brennraumimpedanz ist. Dies wird durch eine elektronische Steuerung erreicht, die beispielsweise aus den Daten: Kurbelwellenwinkel, Drehzahl, Temperatur, Druck, Gaszusammensetzung und Kraftstoffmenge die optimale Einstellung für das Anpassnetzwerk ermittelt.The periodically changing impedance of the combustion chamber during the operation of the internal combustion engine is known at each operating point from data that was determined by measurement and/or simulation. For optimal power adjustment, the millimeter wave transmitter of the microwave generator should therefore have an output impedance which is advantageously complex conjugate to the combustion chamber impedance. This is achieved by an electronic controller that determines the optimal setting for the matching network from the data: crankshaft angle, speed, temperature, pressure, gas composition and fuel quantity.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Detektoreinheit, die Brennraumparameter wie Druck, Volumen, Temperatur, Gaszusammensetzung und/oder Plasmazusammensetzung detektiert.Preferably, the device comprises a detector unit, the combustion chamber parameters such as Pressure, volume, temperature, gas composition and / or plasma composition detected.
Alternativ oder zusätzlich sind Daten des Brennraums in einem Kennfeld gespeichert und die Steuerung der Impedanzanpassung erfolgt auf der Basis der Daten aus dem Kennfeld.Alternatively or additionally, data of the combustion chamber are stored in a characteristic map and the impedance adjustment is controlled on the basis of the data from the characteristic map.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Mikrowellengenerator zusätzlich Mikrowellenstrahlung mit einer Mikrowellenfrequenz im Bereich der Absorptionsfrequenz anderer Komponenten des Brennstoffgemisches, wie bspw. von Kohlenwasserstoff auf.In a further advantageous embodiment of the invention, the microwave generator also has microwave radiation with a microwave frequency in the range of the absorption frequency of other components of the fuel mixture, such as hydrocarbons.
Durch die Anregung der anderen Komponenten des Brennstoffgemisches, wie Kohlenwasserstoff, zusätzlich zu der Anregung von Sauerstoff kann die Verbrennung weiter optimiert werden und die Schadstoffbelastung reduziert werden. Die Mikrowellenstrahlung mit einer Frequenz im Bereich der Absorptionsfrequenz von Kohlenwasserstroff wird zusätzlich in den Kohlenwasserstoffmolekülen absorbiert, so dass insgesamt ein höherer Energieeintrag erfolgt.By stimulating the other components of the fuel mixture, such as hydrocarbons, in addition to stimulating oxygen, combustion can be further optimized and pollution levels reduced. The microwave radiation with a frequency in the range of the absorption frequency of hydrocarbons is additionally absorbed in the hydrocarbon molecules, so that overall a higher energy input takes place.
Die zuvor beschriebene Aufgabe ist weiterhin gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren und/oder einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.The object described above is also achieved by the method according to the invention and/or a preferred embodiment of the method according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise zur Durchführung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder einer vorteilhaften Ausführungsform hiervon ausgebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ausgebildet.The method according to the invention is preferably designed to be carried out by means of the device according to the invention and/or an advantageous embodiment thereof. The device according to the invention is preferably designed to carry out the method according to the invention and/or an advantageous embodiment of the method.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Zünden eines Brennstoffs im Brennraum einer Brennkraftmaschine wird mittels eines Mikrowellengenerators durchgeführt und umfasst folgende Verfahrensschritte:
- A Einleiten des Brennstoffgemischs in den Brennraum der Brennkraftmaschine;
- B Bestrahlen des Brennstoffgemisches in dem Brennraum mit Mikrowellenstrahlung mittels des Mikrowellengenerators;
- C Zündung des Brennstoffgemisches;
- A introducing the fuel mixture into the combustion chamber of the internal combustion engine;
- B irradiating the fuel mixture in the combustion chamber with microwave radiation using the microwave generator;
- C ignition of the fuel mixture;
Wesentlich ist, dass bei zumindest einer konstanten Mikrowellenfrequenz eine Impedanz der Mikrowellenstrahlung an eine sich zeitlich verändernde Impedanz des Brennraums angepasst wird.What is essential is that, given at least one constant microwave frequency, an impedance of the microwave radiation is adapted to an impedance of the combustion chamber that changes over time.
Dabei weist das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls die oben genannten Variationsmöglichkeiten und entsprechenden Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf.The method according to the invention also has the above-mentioned possible variations and corresponding advantages of the device according to the invention.
Vorteilhafterweise erfolgt die Mikrowellenbestrahlung des Brennstoffgemisches im Bereich der Absorptionsfrequenz von Sauerstoff, vorzugsweise bei 60 GHz und/oder ungefähr 118 GHz, und/oder der Absorptionsfrequenz von Ozon, ungefähr 166 GHz und/oder 184 GHz und/oder 196 GHz. Wegen des Wasserdampfanteils in der Ansaugluft oder aber durch bewusstes Beimengen von Wasser zu dem Brennstoffgemisch kann auch die Anregung von Wasserabsorptionslinien bei Frequenzen um 180 GHz und 325 GHz sinnvoll sein.The fuel mixture is advantageously irradiated with microwaves in the range of the absorption frequency of oxygen, preferably at 60 GHz and/or approximately 118 GHz, and/or the absorption frequency of ozone, approximately 166 GHz and/or 184 GHz and/or 196 GHz. Excitation of water absorption lines at frequencies around 180 GHz and 325 GHz can also be useful because of the water vapor content in the intake air or by deliberately adding water to the fuel mixture.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Mikrowellenbestrahlung in Form von Hochleistungs-Hochfrequenz-Impulsen und führt zur Zündung des Brennstoffgemischs. Durch die Hochleistungs-Hochfrequenz-Impulse wird ein Nichtgleichgewichtsplasma erzeugt, indem eine Radikalenkettenkettenreaktion in Gang gesetzt wird, die zu einer Zündung des Brennstoffgemischs im gesamten Volumen des Brennraums führt.In an advantageous development of the method according to the invention, the microwave irradiation takes place in the form of high-power high-frequency pulses and leads to the ignition of the fuel mixture. The high power radio frequency pulses create a non-equilibrium plasma by initiating a radical chain reaction that results in ignition of the fuel mixture throughout the volume of the combustion chamber.
In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Mikrowellenbestrahlung in kontinuierlicher Form mit einer konstanten Mikrowellenfrequenz. Hierdurch entsteht ein Nichtgleichgewichtsplasma, welches mittels einer Zündkerze, das heißt durch einen Zündfunken, gezündet werden kann, ausgehend von dem Zündfunken breitet sich die Zündung vergleichsweise schnell in dem gesamten Volumen des Brennraums aus.In an alternative embodiment of the method according to the invention, the microwave irradiation takes place continuously with a constant microwave frequency. This creates a non-equilibrium plasma, which can be ignited by means of a spark plug, ie by an ignition spark. Starting from the ignition spark, the ignition spreads comparatively quickly throughout the entire volume of the combustion chamber.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden dem Brennstoffgemisch Additive zugesetzt. Vorteilhafterweise wird der Mikrowellengenerator derart angepasst, dass zusätzlich Mikrowellenstrahlung mit einer Mikrowellenfrequenz im Bereich der Absorptionsfrequenz der zugesetzten Additive erzeugt wird.In an advantageous embodiment of the invention, additives are added to the fuel mixture. The microwave generator is advantageously adapted in such a way that additional microwave radiation is generated with a microwave frequency in the range of the absorption frequency of the added additives.
Weitere bevorzugte Merkmale und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert.Further preferred features and embodiments of the method according to the invention and the device according to the invention are explained below with reference to exemplary embodiments and the figures.
Dabei zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung des Mikrowellensenders, der variablen Anpassimpedanz des Senders Zs und der sich während des Betriebs verändernden Impedanz ZB des Brennraums. -
2 eine schematische Darstellung einer Hubkolbenmotors mit einer Mikrowellen-Einspeisung; -
3 eine schematische Darstellung einer Steuereinheit.
-
1 a schematic representation of the microwave transmitter, the variable matching impedance of the transmitter Zs and the changing impedance Z B of the combustion chamber during operation. -
2 a schematic representation of a reciprocating engine with a microwave feed; -
3 a schematic representation of a control unit.
Die Anpassimpedanz 2 kann auch als Anpassnetzwerk ausgeführt sein, das durch eine Steuereinheit (nicht dargestellt) verändert wird. Die Steuereinheit kann die Einstellungen anhand eines Kennfelds vornehmen. Alternativ oder zusätzlich ist eine Detektoreinheit (nicht dargestellt) vorgesehen, die die Betriebsparameter, Druck, Temperatur, Kurbelwellenstellung, Gaszusammensetzung, und andere Parameter erfasst und diese Daten an die Steuereinheit weitergibt.The matching
Die Steuereinheit 12 und der Mikrowellengenerator 1 sind mit dem Impedanzanpassnetzwerk 2 derart zusammenwirkend angeordnet und ausgebildet, dass die Impedanz der Mikrowellenstrahlung an die sich zeitlich verändernde Impedanz 3 des Brennraums angepasst wird. Dabei werden die Frequenzen der Mikrowellenstrahlung konstant gehalten. Die Frequenz der Mikrowellenstrahlung liegt im Bereich der Absorptionsfrequenz von Sauerstoff, vorliegend ungefähr im Bereich von 60 GHz und 118 GHz.The
Die Impedanz des Brennraums 3 ist dabei abhängig von Parametern wie Druck, Temperatur, Volumen, Gaszusammensetzung und Ähnlichem im Brennraum 3. Mittels des Anpassnetzwerks 2 wird die Impedanz der Mikrowellenstrahlung an die Impedanz des Brennraums 3 in Abhängigkeit von diesen sich zeitlich ändernden Parametern angepasst.The impedance of the
Die Verbindung zwischen der Vorrichtung 4 und dem Brennraum erfolgt über eine Impedanzleitung 5 (vgl.
Der Brennraum 3 wird begrenzt durch den sich auf- und abbewegende Kolben 8 sowie durch den Zylinder 6. Der Brennraum 3 in
Die Vorrichtung 4 umfasst in Zusammenwirkung mit dem Mikrowellengenerator 1 ein variables und gesteuertes Anpassnetzwerk 2 zur Impedanzanpassung der Mikrowellenstrahlung (vgl.
Vorliegend ist das Anpassnetzwerk als geregelter Topfkreis ausgebildet.In the present case, the matching network is designed as a controlled pot circle.
Die Steuereinheit und der Mikrowellengenerator 1 mit dem Impedanzanpassnetzwerk 2 sind derart zusammenwirkend angeordnet und ausgebildet, dass die Impedanz der Mikrowellenstrahlung an die sich zeitlich verändernde Impedanz 3 des Brennraums angepasst wird. Dabei werden die Frequenzen der Mikrowellenstrahlung konstant gehalten. Die Frequenz der Mikrowellenstrahlung liegt im Bereich der Absorptionsfrequenzen von Sauerstoff, vorliegend ungefähr im Bereich von 60 GHz und 118 GHz. Optional können zusätzlich andere Absorptionsfrequenzen der beteiligten Komponenten im Gasgemisch angeregt werden.The control unit and the
Die Impedanz des Brennraums 3 ist dabei abhängig von Parametern wie Druck, Temperatur, Volumen, Gaszusammensetzung und Ähnlichem im Brennraum 3. Mittels des Anpassnetzwerks 2 wird die Impedanz der Mikrowellenstrahlung an die Impedanz des Brennraums 3 in Abhängigkeit von diesen sich zeitlich ändernden Parametern angepasst.The impedance of the
Beispielsweise kann dies anhand der Brennraum-Parameter wie bspw. Kurbelwellenwinkel, Drehzahl, Druck, Volumen, Temperatur, Gaszusammensetzung und/oder Plasmazusammensetzung erfolgen:
- Die sich periodisch ändernde Impedanz des Brennraums wird während des Betriebs des Verbrennungsmotors kann durch Messung und/oder Simulation der Brennraum-Parameter zu jedem Betriebspunkt ermittelt. Der Millimeterwellensender des
Mikrowellengenerators 1 weist eine Ausgangsimpedanz konjugiert komplex zu der Brennraumimpedanz auf. Dies wird durch eine elektronische Steuerung erreicht, die beispielsweise aus den Daten: Kurbelwellenwinkel, Drehzahl, Temperatur, Druck, Gaszusammensetzung und Kraftstoffmenge die optimale Einstellung für das Anpassnetzwerk ermittelt.
- The periodically changing impedance of the combustion chamber is determined during operation of the internal combustion engine by measuring and/or simulating the combustion chamber parameters at each operating point. The millimeter wave transmitter of the
microwave generator 1 has an output impedance that is the complex conjugate of the combustion chamber impedance. This is achieved by an electronic controller that determines the optimal setting for the matching network from the data: crankshaft angle, speed, temperature, pressure, gas composition and fuel quantity.
Die Verbindung zwischen der Vorrichtung 4 und dem Brennraum erfolgt über eine Impedanzleitung 5, die vorliegend in Hohlleitertechnik ausgeführt ist. Über die Impedanzleitung wird die Mikrowellenstrahlung mit der angepassten Impedanz in den Brennraum eingekoppelt.The connection between the
In der Außenwand des Zylinders 6 des Brennraums 3 ist ein Diamantfenster 11 vorgesehen. Über das Diamantfenster 11 wird das innere Volumen des Brennraums 3 durch die Impedanzleitung 5 von dem Mikrowellengenerator 4 mit Mikrowellenstrahlung beaufschlagt. Das Diamantfenster 11 ist so an der Zylinderwand des Brennraums 3 angeordnet, dass eine möglichst homogene Energiedichteverteilung der Mikrowellenstrahlung in dem Brennraum 3 vorliegt.A
Das Diamantfenster 11 ist mikrowellentransparent, inert, weist eine gute thermische Leitfähigkeit auf und hält hohen Temperaturen sowie hohen Drücken Stand. Dies ermöglicht eine Entkopplung des hohen Drucks im Brennraum 3 von dem einkoppelden Hohlleiter 5.The
Hierdurch ist eine maximale Einkopplung der Leistung der Mikrowellen in das Brennstoffgemisch im Brennraum möglich und es kommt zu einer effizienten und rückstandsarmen Verbrennung.This allows maximum coupling of the power of the microwaves into the fuel mixture in the combustion chamber, resulting in efficient and low-residue combustion.
Die Zündung des Brennstoffgemisches im Brennraum erfolgt in Form einer Raumzündung durch die Mikrowellenbestrahlung des Brennstoffgemisches. Wie beschrieben kann optional eine Zündkerze vorgesehen sein. Die Zündung kann durch einen Puls der Millimeterwellenleistung eingespeist über den Hohlleiter 5 auch ohne Zündkerze 7 erfolgen. In einer anderen Ausführung, in der die Millimeterwellenleistung das Gasgemisch nur anregt, erfolgt die Zündung über den Zündfunken der Zündkerze 7. Durch die Mikrowellenbestrahlung wird in diesem Fall ein Plasma erzeugt wird. Das Plasma entsteht dabei aus dem Brennstoffgemisch im Brennraum, welches durch die Mikrowellenbestrahlung angeregt wird. Dieses Plasma wird durch den Einsatz der Zündkerze gezündet. Die Zündung wird durch die Mikrowellenbestrahlung also lediglich unterstützt.The fuel mixture in the combustion chamber is ignited in the form of space ignition by the microwave irradiation of the fuel mixture. As described, a spark plug can optionally be provided. Ignition can also take place without a
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Mikrowellengenerator, Mikrowellen-SenderMicrowave generator, microwave transmitter
- 22
- Anpassimpedanz, ImpedanzanpassnetzwerkMatching impedance, impedance matching network
- 33
- Brennraumimpedanz, Brennraumcombustion chamber impedance, combustion chamber
- 44
- Vorrichtungcontraption
- 55
- Hohlleiter, Impedanzleitungwaveguide, impedance line
- 66
- Zylindercylinder
- 77
- Zündkerzespark plug
- 88th
- KolbenPistons
- 99
- Pleuelconnecting rod
- 1010
- Kurbelwellecrankshaft
- 1111
- Diamantfensterdiamond window
- 1212
- Steuereinheitcontrol unit
- 1313
- Detektoreinheitdetector unit
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