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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Verbessern des Emissionsverhaltens
bzw. der Emissionsqualität
und der Brennstoffverwertung von Hubkolbenverbrennungsmaschinen,
etwa von Diesel- und Ottomotoren, indem elektromagnetische Energie in
einen Zylinder oder eine Vorzylinderkammer oder Bohrung eingespeist
wird. Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verbesserung des
Wirkungsgrades und der Effizienz der Funkenerzeugung in einem Zylinder
einer Hubkolbenverbrennungsmaschine.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Für die Hubkolbenverbrennungsmaschine sind
die Verbesserung des Emissionsverhaltens und die Brennstoffverwertung
Bereiche, die stets ein großes
Interesse genießen.
Ein Bereich, in dem Verbesserungen durchgeführt werden können, beinhaltet die
Verdampfung flüssigen
Brennstoffes, insbesondere in Hinblick auf Brennstoffe, etwa Benzinbrennstoffe
und Dieselbrennstoffe. Wenn derartige Brennstoffe effizient sein
sollen, sollte der Brennstoff von der flüssigen Phase in die Dampfphase
umgewandelt werden, unabhängig
davon, wie gering die Größe eines
flüssigen
Brennstofftröpfchens
ist.
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Um
Energie in einer Hubkolbenmaschine zu erzeugen, muss der verwendete
Brennstoff anstatt langsam zu verbrennen, explodieren (da der Maschinenverbrennungstakt
zu kurz für
ein langsames Verbrennen von flüssigem
Brennstoff ist, um damit vollständig
zu verbrennen, bevor der Ausstoßtakt
beginnt). Dies ist insbesondere beim Dieselmotor ein Problem, da
der Brennstoff in Form einer Flüssigkeit in
die Verbrennungskammer eingesprüht
wird, verdampft und dann in gleichen Verbrennungszyklus sich selbst
entzünden
muss. Selbst unter normalen Betriebsbedingungen tendiert der Dieselbrennstoff dazu,
sich vor dem vollständigen
Verdampfen selbst zu entzünden.
Ferner ist bei einem Kaltstart die Verdampfung noch unvollständiger,
wodurch die Problematik hinsichtlich des schlechten Emissionsverhaltens
noch verstärkt
wird. Beispielsweise kann sich Ruß auf Grund der unvollständigen Nutzung
des Brennstoffes bilden. Ferner entstehen vermehrt giftige Abgase, wenn
der Brennstoff nicht vollständig
in dem Brennstoffverbrennungsprozess verbraucht wird.
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Viele
dieser Probleme können
gelöst
werden und die Emissionen können
verbessert werden, wenn der Brennstoff vor der Zündung im Wesentlichen vollständig verdampft
wird. Jedoch ist das konventionelle Aufheizen eines Brennstoffes
auf ein nutzbares Maß vor
der Einspritzung nicht wünschenswert,
da ein Überheizen
des flüssigen
Brennstoffes in der Brennstoffleitung eine Dampfblockade verursachen
kann. Ferner trägt
ein moderates Heizen zur Vermeidung der Dampfblockade nicht wesentlich
zu einer Verbesserung beim Verdampfen bei.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Es
wurde erkannt, dass es vorteilhaft wäre, ein Brennstoffkonditionierungssystem
zu entwickeln, um damit die Effizienz von Hubkolbenverbrennungsmaschinen
zu steigern.
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Die
Erfindung stellt Brennstoffkonditionierungssysteme, Systeme zum
Verbessern der Zündleistung
für Brennstoff,
drahtlose Brennstoffzündanlagen
und Verfahren zum Konditionieren und Zünden von Brennstoffen für eine vollständige Verbrennung bereit,
wobei durchwegs funktionelle elektromagnetische Energie angewendet
wird, um eine vollständige Verbrennung
hervorzurufen. Brennstoffe, für
die diese Technologien eingesetzt werden können, schließen Benzin,
Dieselbrennstoffe, Öle,
Alkohole, Biodiesel und andere alternative Brennstoffe oder dergleichen
mit ein, obwohl Benzin und Dieselbrennstoffe die bevorzugtesten
Kandidaten sind.
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Insbesondere
kann eine Hubkolbenverbrennungsmaschine für eine erhöhte Brennstoffausnutzung eine
Verbrennungskammer, einen Brennstoffkonditionierungsraum, der durch
Wände definiert
ist, die mit der Verbrennungskammer in Fluidverbindung stehen, ein
Brennstoffeinspritzsystem zum Einführen eines Brennstoffsprühstrahls
durch den Brennstoffkonditionierungsraum und eine Quelle für elektromagnetische
Wellen, die zum Einführen
von elektromagnetischen Wellen in den Brennstoffkonditionierungsraum
und den Brennstoffsprühstrahl
ausgebildet ist, aufweisen. Die elektromagnetische Wellen- bzw.
Energiequelle kann ferner so ausgebildet sein, um das volumetrische
Erwärmen
eines Tröpf chens des
Brennstoffsprühstrahls
zu verbessern, sobald dieser von der Brennstoffeinspritzung ausgeworfen ist.
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Ferner
ist ein Brennstoffkonditionierungssystem offenbart, um Brennstoff
zu einer Verbrennungskammer einer Hubkolbenverbrennungsmaschine
zu liefern. Das System kann einen Brennstoffkonditionierungsraum,
der durch Wände
mit einer reflektierenden Oberfläche
definiert ist, eine elektromagnetische Energiequelle, ein Energiekonzentrationsgebiet und
eine Brennstoffeinspritzung aufweisen. Die elektromagnetische Energiequelle
kann innerhalb oder in dem Brennstoffkonditionierungsraum so betreibbar sein,
dass die elektromagnetische Energiequelle ausgebildet ist, elektromagnetische
Energie in Richtung auf die Wände
auszusenden. Das Energiekonzentrationsgebiet kann innerhalb des
Brennstoffkonditionierungsraumes angeordnet sein, wobei die elektromagnetische
Energie von den Wänden
zu dem Energiekonzentrationsgebiet reflektierbar ist, wodurch konzentrierte
Energie in dem Energiekonzentrationsgebiet bereitgestellt wird,
die größer als
in Gebieten außerhalb
des Energiekonzentrationsgebiets ist. Die Brennstoffeinspritzung
kann ein Auslassende aufweisen, das so ausgebildet ist, um einen Brennstoffsprühstrahl
mit einer Bahn durch das Energiekonzentrationsgebiet auszugeben.
Ferner kann der Brennstoffkonditionierungsraum durch Wände definiert
sein, wobei ein Querschnitt des Raumes im Wesentlichen als ein Zylinder,
eine Parabel, eine Ellipse, eine mathematische Ellipse oder in einer
anderen geometrischen Form ausgebildet ist. Alternativ können derartige
Konfigurationen in dem Raum zum Reflektieren elektromagnetischer
Energie vorhanden sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann ein alternatives Brennstoffkonditionierungssystem zum Bereitstellen
von Brennstoff für
eine Verbrennungskammer einer Hubkolbenverbrennungsmaschine einen
durch Wände
definierten Brennstoffkonditionierungsraum, eine Brennstoffeinspritzung,
eine elektromagnetische Energiequelle und ein Energiekonzentrationsgebiet
aufweisen. Die Brennstoffeinspritzung kann zum Auswerfen einer Bahn
eines Brennstoffsprühstrahles
in den Brennstoffkonditionierungsraum ausgebildet sein. Die elektromagnetische
Energiequelle kann so ausgebildet sein, um elektromagnetische Energie
in den Brennstoffkonditionierungsraum in die Bahn oder durch die
Bahn hindurch einzuführen,
wobei die. elektromagnetische Energiequelle ferner so ausgebildet
ist, um das volumetrische Erwärmen
von Brennstoffsprühtröpfchen,
die von der Brennstoffeinspritzung ausgeworfen werden, effizienter
zu gestalten. Das Energiekonzentrationsgebiet kann in dem Brennstoffkonditionierungsraum
so angeordnet sein, dass die elektromagnetische Energie von der
elektromagnetischen Energiequelle empfangen wird. Das Energiekonzentrationsgebiet
kann ferner so gestaltet sein, um im Vergleich zu Gebieten außerhalb
des Energiekonzentrationsgebiets eine höhere Energiekonzentration von
der elektromagnetischen Energiequelle zu empfangen. Der Brennstoffkonditionierungsraum
kann durch Wände
definiert sein, wobei der Querschnitt des Raumes im Wesentlichen
als ein Zylinder, eine Parabel, ein Ellipse, oder eine mathematische
Ellipse geformt ist, obwohl andere geometrische Konfigurationen
ebenso im Bereich der vorliegenden Erfindung liegen.
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Jede
der zuvor genannten Ausführungsformen
mit einem Brennstoffkonditionierungssystem kann Luftlöcher oder
Belüftungsöffnungen
aufweisen, die ausgebildet sind, die Effizienz des Verbrennungsprozesses
zu erhöhen.
Abhängig
von dem gewünschten
Brennstoffkonditionierungsraum und/oder der Ausbildung der elektromagnetischen
Quelle, können
die Luftlöcher
so angeordnet sein, dass eine Störung
der Eigenschaften für
das elektromagnetische Reflektieren der diversen Oberfläche minimal
gehalten wird.
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Eine
drahtlose Zündkerze
zur Verwendung in einer Hubkolbenverbrennungsmaschine ist ebenso offenbart
und kann ein Gehäuse
aufweisen, das ausgebildet ist, um die drahtlose Zündkerze
mit einer Verbrennungskammer eines Zylinders entfernbar zu koppeln,
und kann ferner eine eine Empfangsantenneneinrichtung, die mit dem
Gehäuse
gekoppelt ist, aufnehmen, wobei dieses einen Spalt aufweist, der ausgebildet
ist, um einen Funken zu erzeugen; ferner ist eine Energiequelle,
die elektromagnetisch mit der Empfangsantenneneinrichtung durch
eine elektromagnetische Welle so gekoppelt ist, dass ein Funke an
dem Spalt erzeugt wird.
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Ein
Verfahren zum Konditionieren von Brennstoff zur Verwendung in einer
Hubkolbenverbrennungsmaschine ist ebenso Gegenstand der Offenbarung.
Das Verfahren umfasst die Schritte des Einführens von Brennstoff in einen
Brennstoffkonditionierungsraum, der durch Wände innerhalb einer Hubkolbenverbrennungsmaschine
definiert ist; und das Aussenden elektromagnetischer Wellen in den Brennstoffkonditionierungsraum
und Reflektieren der elektromagnetischen Wellen von den Raumwänden in
den Brennstoffsprühstrahl,
um eine molekulare Schwingungsresonanzabsorption in dem Brennsprühstrahl
zu bewirken. Die elektromagnetischen Wellen sind so ausgebildet,
um eine molekulare Resonanz durch Schwingungen in den Brennstofftröpfchen des
Sprühstrahls
hervorzurufen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gegen aus der folgenden detaillierten
Beschreibung hervor, wenn diese im Zusammenhang mit den begleitenden
Zeichnungen studiert wird, die in beispielhafter Weise die Merkmale
der Erfindung demonstrieren.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In
den begleitenden Zeichnungen, die Ausführungsformen der Erfindung
darstellen, zeigen:
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1 schematisch
eine Zeichnung eines Brennstoffkonditionierungs- oder Verdampfungssystems
zum Bereitstellen im Wesentlichen verdampften Brennstoffes für eine Verbrennungskammer
einer Hubkolbenverbrennungsmaschine;
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2a und 2b schematisch
Zeichnungen im Querschnitt bzw. in einer Perspektive von unten eines
demontierbaren Brennstoffkonditionierungs- oder Verdampfungssystems
gemäß den Grundlagen
der vorliegenden Erfindung;
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3a bis 3c schematisch
Zeichnungen, die eine Ausführungsform
eines Betriebsmodus der vorliegenden Erfindung darstellen;
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4a und 4b eine
Perspektive der Innenseite bzw. eine schematische Seitenansicht
eines alternativen Brennstoffkonditionierungssystems zum im wesentlichen
Verdampfen von Brennstoff in einem Hohlraum mit im wesentlichen
Querschnitt einer Hubkolbenverbrennungsmaschine;
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5a und 5b eine
Innenperspektive bzw. eine schematische Ansicht von unten eines
weiteren alternativen Brennstoffkonditionierungssystems zum im wesentlichen
Verbrennen von Brennstoff in einen im wesentlichen zylindrischen
Brennstoffkonditionierungshohlraum einer Hubkolbenverbrennungsmaschine;
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6a und 6b eine
Perspektive von Innen bzw. eine schematische Ansicht von unten eines weiteren
alternativen Brennstoffkonditionierungssystems zum im wesentlichen
Verdampfen von Brennstoff mittels im wesentlich parabolischer Wände eines
Brennstoffhohlraumes einer Hubkolbenverbrennungsmaschine;
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7a und 7b eine
Perspektive von Innen bzw. eine schematische Ansicht von unten eines weiteren
alternativen Brennstoffkonditionierungssystems zum im wesentlichen
Verdampfen von Brennstoff in einem Brennstoffkonditionierungshohlraum einer
Hubkolbenverbrennungsmaschine;
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8a und 8b eine
perspektivische bzw. eine schematische Seitenansicht eines periodisch
gepolten optischen parametrischen Oszillators aus Lithiumniobat
(PPLN), der zum Einführen
von elektromagnetischer Energie in eine Brennstoffkonditionierungskammer
einer Hubkolbenverbrennungsmaschine verwendet werden kann;
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9 eine
schematische Ansicht eines weiteren alternativen Brennstoffkonditionierungssystems
zum im wesentlichen Verdampfen von Brennstoff in einer Hubkolbenverbrennungsmaschine
mit einem indirekten Brennstoffeinspritzsystem;
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10a, 10b, 11a und 11b Ausführungsformen
von drahtlosen Zündkerzen,
die in einem Zylinder einer Hubkolbenverbrennungsmaschine, die eine
Funkenbildung erfordert, verwendet werden können; und
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12 und 13 eine
schematische Darstellung eines alternativen Systems zur Brennstoffkonditionierung
unter Anwendung eines Resonators für eine Wanderwelle.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevor
die vorliegende Erfindung offenbart und beschrieben wird, ist anzumerken,
dass diese Erfindung nicht auf die speziellen Aufbauten, Prozessschritte
und Materialien, die hierin offenbart sind, eingeschränkt ist,
da derartige Prozessschritte und Materialien in einem gewissen Umfange Änderungen unterliegen
können.
Ferner ist es selbstverständlich, dass
die hierin angewendete Terminologie nur für die Zwecke des Beschreibens
spezieller Ausführungsformen
genutzt wird und nicht beabsichtigt, in irgendeiner Weise einschränkend zu
sein, da der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung lediglich durch
die angefügten
Patentansprüche
und deren Äquivalente
abgegrenzt ist.
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Es
sollte beachtet werden, dass bei Anwendung in dieser Beschreibung
und in den angefügten Patentansprüchen der
Singularformen "ein" und "der, die, das" diese die Mehrzahl
mit einschließt,
sofern dem Inhalt nicht in klarer Weise das Gegenteil zu entnehmen
ist.
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"Das volumetrische
Erwärmen" oder "volumetrische Verdampfen" beinhaltet die Anwendung elektromagnetischer
Energie, um Brennstofftröpfchen
zu konditionieren und/oder zu verdampfen über deren gesamten Volumen
hinweg, und vorzugsweise im Wesentlichen gleichzeitig über das
gesamte Volumen hinweg. Dies unterscheidet sich von der konventionellen
Oberflächenerwärmung mittels
Wärmeleitung
und Konvektion. Das volumetrische Erwärmen kann stattfinden, indem
vorzugsweise eine molekulare resonante Absorption erreicht wird,
obwohl dies nicht erforderlich ist. Eine vollständige Verdampfung ist nicht
erforderlich, obwohl eine vollständigere
Verdampfung zu einer sauberer arbeitenden Maschine führt.
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"Elektromagnetische
Wellen" oder "elektromagnetische
Energie" schließen beliebige
Wellenlängen
elektromagnetischer Energie mit ein, die in der vorliegenden Erfindung
die entsprechende Funktion entfalten. Vorzugsweise liegen derartige
Wellenlängen
im Bereich von Mikrowellen bis zu Infrarotstrahlung. Insbesondere
im Hinblick auf Ausführungsformen,
in denen eine stehende Welle in einem Brennstoffkonditionierungshohlraum
oder einer Verbrennungskammer erzeugt wird, sind Wellenlängen, die
vergleichbar mit der Größe des Brennstoffkonditionierungshohlraums
sind, vorzuziehen. Da beispielsweise die typische Größe eines
brennstoffkonditionierenden Hohlraums bei ungefähr einigen Zentimetern ("cm") liegt, d. h. von
ungefähr
2 bis 10 cm, kann eine bevorzugte Wellenlänge von 0.1 mm bis 10 cm erreichen.
In Ausführungsformen,
in denen elektromagnetische Energie von einem Brennstoffkonditionierungshohlraum
oder einer Brennstoffkammerwand reflektiert wird und an einer entfernten
Stelle fokussiert oder konzentriert wird, können Wellenlängen, die
deutlich kleiner als die allgemeine Querschnittsgröße des Brennstoffkonditionierungshohlraums
ist (ungefähr
1/5 oder weniger), angewendet werden. Z. B. können Wellenlängen von
ungefähr
0.1 μm bis
ungefähr
1 mm angewendet werden.
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Es
wird nun auf beispielhafte Ausführungsformen
Bezug genommen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, und es
wird eine spezielle Ausdrucksweise hierin verwendet, um diese zu
beschreiben. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, dass dadurch keine
Einschränkung
des Schutzbereichs der Erfindung beabsichtigt ist. Änderungen
und weitere Modifizie rungen der erfindungsgemäßen Merkmale, die hierin dargestellt
sind, und zusätzliche
Anwendungen der Prinzipien der Erfindung, wie sie hierin dargestellt
ist, die sich dem Fachmann nach Besitz dieser Offenbarung erschließen, werden
als im Schutzbereich der Erfindung liegend betrachtet.
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Es
sei nun auf 1 verwiesen; es ist ein Brennstoffkonditionierungssystem 10 zur
Verwendung mit einer Hubkolbenverbrennungsmaschine zum Verbessern
der Brennstoffverwertung gezeigt. Das Brennstoffkonditionierungssystem 10 umfasst im
Allgemeinen eine Verbrennungskammerwand 12, die eine Verbrennungskammer 14 definiert,
einen Kolbenkopf 16 und eine Verbrennungskonditionierungshohlraumwand 21,
die einen Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 definiert.
Der Brennstoffkonditionierungshohlraum in dieser Ausführungsform
steht in Fluidverbindung mit der Verbrennungskammer 14. In
einer Ausführungsform
kann die Hohlraumwand 21 des Verbrennungskonditionierungshohlraums 22 zumindest
teilweise aus einem Material aufgebaut sein, das als ein optischer
Spiegel dient. Somit kann eine Oberfläche zum Reflektieren elektromagnetischer
Wellen 28, sobald diese in den Brennstoffkonditionierungshohlraum
eingeführt
werden, bereitgestellt werden.
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Eine
Brennstoffeinspritzung 18 ist ebenso dargestellt, die so
gestaltet sein kann, um einen Brennstoffsprühstrahl 20 zu geeigneten
Zeitpunkten in Hinblick auf die zyklische Bewegung des Kolbenkopfes
einzuführen,
wie dies dem Fachmann bekannt ist. Der Brennstoffsprühstrahl
enthält
Brennstoffsprühtröpfchen,
die jeweils eine Brennstoffmolekularabsorptionsresonanzfrequenz aufweisen.
Wenn der Zylinder für
einen Ottomotor gedacht ist, dann ist ein Funke erforderlich, um
den verdampften Brennstoffsprühstrahl
zu zünden.
Für einen
Dieselmotor ist jedoch kein Funke erforderlich, um den verdampften
Sprühstrahl
zu zünden.
Wie in den meisten Dieselmotoren können eine bis acht (oder mehr)
Brennstoffeinspritzdüsen
radial in einem einzelnen Zylinder angeordnet sein, wie dies dem Fachmann
bekannt ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung kann
jede Einspritzdüse
in ihrem eigenen Brennstoffkonditionierungshohlraum angeordnet sein.
Für eine
beliebige Brennstoffart kann der Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 entsprechend
so positioniert sein, dass der Brennstoffsprühstrahl 20 durch den
Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 läuft, bevor er in die Verbrennungskammer 14 eintritt.
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Eine
elektromagnetische Energiequelle 24 ist ebenso gezeigt,
die ausgebildet ist, geeignete elektromagnetische Wellen 28 in
den Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 einzuführen.
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Die
elektromagnetische Energiequelle 24 ist so ausgebildet,
um eine elektromagnetische Wellenlänge, die zum volumetrischen
Erwärmen
von Brennstofftröpfchen
in dem Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 geeignet ist,
auszusenden. Eine kanalisierende Einrichtung 26 für elektromagnetische
Wellen, etwa ein Wellenleiter, ein Laser, eine Glasfaser, ein nicht
lineares optisches Element, etwa ein periodisch gepoltes Lithiumniobat
(PPLM) oder andere Elemente oder eine beliebige Kombination davon kann
verwendet werden, um die elektromagnetischen Wellen in den Brennstoffkonditionierungshohlraum
einzukoppeln.
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In
einer alternativen Ausführungsform
können
der Brennstoffkonditionierungshohlraum 22, die elektromagnetischen
Wellen oder Energie 28 und die Molekularabsorptionsresonanzfrequenz
des Brennstoffes so gestaltet sein, um Bedingungen so bereitzustellen,
dass die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen 28 eine
elektromagnetische stehende Welle bilden können. Weiterhin werden die
elektromagnetischen Wellen vorzugsweise so ausgesucht, dass eine
molekulare Rotationsabsorption und/oder Schwingungsabsorption innerhalb
der Brennstofftröpfchen
auftritt, wenn der Brennstoffsprühstrahl 20 durch
die stehende elektromagnetisch Welle läuft. Somit können der
Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 und die elektromagnetischen
Wellen 28 mit einer Größe so ausgewählt werden,
dass eine stehende Welle erzeugt werden kann, während gleichzeitig die elektromagnetischen
Wellen in einem Wellenlängenbereich
liegen, um ausreichend molekulare Rotationsabsorption und/oder Schwingungsabsorption
hervorzurufen, um damit die volumetrische Erwärmung des Brennstoffes zu fördern.
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Gemäß 1 kann
die Verbrennungskammerwand 12 als eine Wärmesenke
dienen und kann ein wärmeleitendes
Metall aufweisen. Ein flüssiges Kühlmittel
(nicht gezeigt) kann optional entlang der Außenseite für Kühlzwecke zirkuliert werden.
Indem der brennstoffkonditionierende Hohlraum als ein Teil der Zylinderwand
ausgebildet wird, kann eine übermäßige Erwärmung der
Brennstoffkonditionierungshohlraumstruktur vermieden werden.
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In
den 2a und 2b ist
eine alternative Ausführungsform
in zwei Ansichten gezeigt, d. h. in einer Querschnittsansicht (2a)
und einer perspektivischen Ansicht von unten von innerhalb des Zylinders
(2b). Die Brennstoffeinspritzung 18 und der
Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 entsprechen der 1.
Jedoch sind in dieser Ausführungsform
zwei zusätzliche
Elemente vorhanden. Erstens sind mehrere Luftlöcher oder Belüftungsöffnungen 30 gezeigt.
Genauer gesagt, mehrere radial angeordnete Lüftungsöffnungen 30 (im Querschnitt
in 2 sind zwei davon gezeigt) werden
verwendet, um das Mischen von Luft mit dem Brennstoffsprühstrahl
zu verbessern. Es können
jedoch andere Ausführungsformen
angewendet werden, um ein ähnliches
Ergebnis zu erhalten. Beispielsweise kann ein aufgehängter Brennstoffkonditionierungshohlraum
mit Gitterwänden
oder ein Brennstoffkonditionierungshohlraum, der in die Wände einer
Hubkolbenverbrennungsmaschine mit mehreren Belüftungsöffnungen eingebettet ist, verwendet
werden. Wenn Belüftungsöffnungen
hinzugefügt
werden, kann deren Anzahl und Größe so konfiguriert
sein, um das Ausbilden einer stehenden Welle innerhalb des Brennstoffkonditionierungshohlraums
mit einzuschließen,
oder kann alternativ so gestaltet sein, um das elektromagnetische
Reflektieren von einer reflektierenden Wandoberfläche mit
einzuschließen.
Die Größe von Lüftungsöffnungen
kann kleiner als die Wellenlänge
in den Ausführungsformen
sein, in denen eine stehende Welle gebildet wird, wird aber wahrscheinlich
größer als
die Wellenlänge
in Ausführungsformen
sein, in denen Energie reflektiert und konzentriert, d. h. wobei
keine stehenden Wellen auf Grund der sehr kurzen Wellenlänge im Vergleich
zur Abmessung des Brennstoffkonditionierungshohlraums gebildet werden.
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Des
weiteren zeigt 2a eine Ausführungsform mit abnehmbarem
Brennstoffkonditionierungshohlraum, wobei ein Gewinde 32 um
den Hohlraum herum vorgesehen ist. Somit kann der brennstoffkonditionierende
Hohlraum durch eine Schraubbewegung entfernt werden (ähnlich zum
Entfernen einer Zündkerze),
wenn der Brennstoffkonditionierungshohlraum beschädigt ist
oder wenn das Entfernen aus einem anderen Grunde erforderlich ist.
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Es
sei nun auf die 3a bis 3c verwiesen,
in denen ein Verfahren der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt
ist. In 3a ist der Schritt 1 des
Verfahrens gezeigt. Im Schritt 1 sind sowohl der Generator 24 als
auch die Brennstoffeinspritzung 18 im aktiven Zustand. Somit werden
die elektromagnetischen Wellen 28 emittiert und reflektiert
oder sie liegen in Form einer stehenden Welle innerhalb des Hohlraumes
vor, wenn der Brennstoffsprühstrahl 20 eingeführt wird.
In 3b ist der Schritt 2 gezeigt, wobei die
Einspritzung 18 nicht aktiv ist. Jedoch ist der Brennstoffsprühstrahl 20 noch
in dem Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 vorhanden.
Da der Brennstoffsprühstrahl
noch in dem Brennstoffkonditionierungshohlraum ist, befindet sich dieser
immer noch in einer Position, in der die elektromagnetischen Wellen 28 eine
volumetrische Verdampfung des Brennstoffsprühstrahls 20 bewirken können. Daher
können
die elektromagnetischen Wellen 28 weiterhin ausgesendet,
reflektiert und/oder in Resonanz gebracht werden, nachdem die Brennstoffeinspritzung 18 deaktiviert
wurde. Wie in 3c gezeigt ist, ist der Brennstoffsprühstrahl 20 nun
nicht mehr in dem Brennstoffkonditionierungshohlraum 22. Da
keine Notwendigkeit besteht, weiterhin die elektromagnetischen Wellen 28 in
den Brennstoffkonditionierungshohlraum einzuführen, können die elektromagnetischen
Wellen optional abgeschaltet werden, bis der nächste Brennstoffsprühzyklus
beginnt.
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Bei
den Systemen und Verfahren, die oben beschrieben sind, kann im Falle
von zu verwendenden elektromagnetischen Wellenlängen, die sehr kurz sind, beispielsweise
im Infrarotbereich, es schwierig sein, eine stehende Welle in einem
großen Brennstoffkonditionierungshohlraum
in Bezug auf die Größe der Wellenlänge zu erzeugen.
Dies gilt insbesondere, wenn die Größe des Brennstoffkonditionierungshohlraums
groß genug
ist, dass ein Brennstoffsprühstrahl
hindurchgeht, ohne im Wesentlichen die Wände zu berühren. Obwohl die Konfiguration
aus den 1 bis 3 sowohl
für kürzere und
längere
Wellenlängen
verwendbar ist, gibt es andere Ausführungsformen, die zum Konzentrieren
elektromagnetischer Energie mit kleinerer Wellenlänge effektiver sind.
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In
den 4a und 4b ist
ein Brennstoffkonditionierungssystem 10 gezeigt, das einen
Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 mit einem elliptischen
Querschnitt in Bezug auf die Bahn des Brennstoffsprühstrahls 20 aufweist.
In einem optimierteren System kann der elliptische Querschnitt eine
mathematische Ellipse mit zwei Brennpunkten X und X' sein. Eine derartige
Ausbildung des Brennstoffkonditionierungshohlraums 22 kann
zwei Brennachsen besitzen, die durch die beiden Brennpunkte des
Querschnitts laufen. Der Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 kann
durch Wände 21 des
Brennstoffkonditionierungshohlraums mit einer reflektierenden Innenoberfläche definiert
sein. Beispielsweise können die
Wände 21 des
Brennstoffkonditionierungshohlraums optional einen optischen Spiegel
enthalten.
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Die
elektromagnetische Energiequelle 50 ist so gezeigt, dass
diese entlang einer Achse, die als die elektromagnetische Energiequellenachse 48 der beiden
Brennachsen bezeichnet ist, betrieben wird, und das Energiekonzentrationsgebiet 53 ist
entlang einer zweiten Achse von den beiden Brennachsen angeordnet.
Die elektromagnetische Energiequelle 50 ist in dem Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 betreibbar
und ist so ausgebildet, um elektromagnetische Energie in Richtung
der Wände
zu emittieren. Das Energiekonzentrationsgebiet 52 ist in
dem Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 angeordnet und
ist so gestaltet, um von den Wänden
reflektierte Strahlung aufzunehmen, wodurch eine konzentrierte Energie
in dem Energiekonzentrationsgebiet 52 bereitgestellt wird,
die höher
als in den Gebieten außerhalb
des Energiekonzentrationsgebiets ist.
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Der
Brennstoffkonditionierungshohlraum umfasst ferner eine Brennstoffeinspritzung 18 mit
einem Auslassende 19, das ausgebildet ist, einen Brennstoffsprühstrahl 20 mit
einer Bahn durch das Energiekonzentrationsgebiet auszuwerfen. In
einer Ausführungsform
kann die elektromagnetische Energiequelle 50 so ausgebildet
sein, um Energie aus mehreren Knoten 53 (Punkte X, Y und
Z) entlang der elektromagnetischen Energiequellenachse 48 auszusenden.
Obwohl lediglich drei derartige Knoten 53 dargestellt sind,
kann eine beliebige Anzahl an Knoten verwendet werden. Die reflektierenden
Innenwände 21 können Belüftungsöffnungen 30 enthalten, die
dort angeordnet sind, wo die Energieintensität minimal ist. Vorzugsweise
können
die Belüftungsöffnungen 30 größer als
ungefähr
100 μm sein,
um einen gewünschten
Luftstrom zu ermöglichen.
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Die
Form des Querschnittes des Brennstoffkonditionierungshohlraums kann
eine mathematische Ellipse sein, so dass die emittierte elektromagnetische
Energie 40 (z. B. von jedem Knoten 53 entlang
der Quellenachse 48) von der Innenwand 21 reflektiert
wird. Nach der Reflektion läuft
die elektromagnetische Energie 44 durch das Energiekonzentrationsgebiet 52 oder
verläuft
in der Nähe
davon. Unter Ausnutzung dieses Prinzips kann ein Brennstoffkonditionierungshohlraum
gestaltet werden, in den eine Millimeterwelle oder selbst eine kürzere elektromagnetische
Welle fokussiert oder konzentriert werden kann an einer vorhersagbaren
Position innerhalb des Brennstoffkonditionierungshohlraums. Ein
Brennstoffsprühstrahl 20 kann
entlang des Energiekonzentrationsgebiets 52 von einer Brennstoffeinspritzung 18 so
eingeführt
werden, dass der Brennstoff volumetrisch verdampft werden kann,
wenn er durch das Energiekonzentrationsgebiet 52 strömt.
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Zu
geeigneten Emissionsquellen können Schlitzantennen,
Flächenantennen,
dielektrische Stäbe,
lichtemittierende Stäbe,
lichtemittierende Elemente, (Halb-)Spiegel, nicht lineare optische
Kristalle und/oder Kombinationen davon gehören. In einer Ausführungsform
kann die Quelle so gestaltet sein, um die elektromagnetischen Wellen
senkrecht zur Quellenachse so auszusenden, dass die elektromagnetische
Konzentration maximiert werden kann. Es können Wellenlängen verwendet
werden, die den molekularen Schwingungs- und/oder Rotationsabsorptionsfrequenzen
entsprechen, so dass die volumetrische Verdampfung verstärkt werden
kann. Ferner können
gewisse Ausführungsformen
der vorliegenden Erfin dung von der verbesserten Effizienz des Verdampfungsprozesses
profitieren, indem längere Brennstoffkonditionierungshohlräume verwendet werden.
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Obwohl
die Ausführungsformen
der 4a und 4b einen
Brennstoffkonditionierungshohlraum zeigen, der einen Querschnitt
eines mathematischen Elippsoids aufweist, ist dies dennoch nicht
die einzige funktionale Form. Es kann eine beliebige Querschnittsform
verwendet werden, vorausgesetzt, dass die elektromagnetische Energiequellenachse 48 und
das Energiekonzentrationsgebiet 52, für eine effektive volumetrische
Verdampfung eines Brennstoffsprühstrahls
ausgestaltet sind. Beispielsweise kann ein Brennstoffkonditionierungshohlraum
mit einem Polygonquerschnitt verwendet werden, vorausgesetzt, dass
ausreichend konzentrierte Energie entlang einer Brennstoffsprühbahn fokussiert
werden kann.
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5a und 5b zeigen
ein Brennstoffkonditionierungssystem 10 mit einem zylindrischen Brennstoffkonditionierungshohlraum 22,
der durch reflektierende Wände 21 des
Brennstoffkonditionierungshohlraums definiert ist. In dieser Ausführungsform
sind mehrere elektromagnetische Energieemissionsquellen 50 entlang
der Innenwand 21 des zylindrischen Brennstoffkonditionierungshohlraums 22 angeordnet.
Die elektromagnetische Energiequelle 50 ist in dem Brennstoffkonditionierungshohlraum betreibbar,
wobei die elektromagnetische Energiequelle so gestaltet ist, um
elektromagnetische Energie in Richtung der Wände der gegenüberliegenden Seite
auszusenden. Wie in 5b gezeigt ist, kann die Innenwand 21 ferner
so gestaltet sein, um die elektromagnetische Energie an einer Stelle
gegenüberliegend
zu der elektromagnetischen Energieemissionsquelle 50 zu
reflektieren. Ferner ist ein Energiekonzentrationsgebiet 52 entlang
der Mittelachse des Brennstoffkonditionierungshohlraums 22 angeordnet,
wobei die elektromagnetische Energie von den Wänden auf ein zentrales Energiekonzentrationsgebiet 52 reflektiert
wird, wodurch eine höhere
Energie in dem Energiekonzentrationsgebiet 52 bereitgestellt wird.
Ferner ist eine Brennstoffeinspritzung 18 mit einem Auslassende 19,
das zum Auswerfen eines Brennstoffsprühstrahls 20 mit einer
Bahn durch das Energiekonzentrationsgebiet ausgebildet ist, in dem Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 angeordnet. Somit
kann in einer Ausführungsform
ausgesandte elektromagnetische Energie 40 (z. B. von einem
beliebigen Punkt entlang jeder elektromagnetischen Energieemissionsquelle 50)
in oder durch den Brennstoffsprühstrahl 20 laufen,
und anschließend
läuft die reflektierte
elektromagnetische Energie 44 von der Innenwand 21 zurück zu dem
Brennstoffsprühstrahl 20.
Belüftungsöffnungen
(nicht gezeigt) können
in den Innenwänden 21 zwischen
den elektromagnetischen Energieemissionsquel len 50 und
den reflektierenden Bereichen angeordnet sein, um eine Störung der
elektromagnetischen Energie, die zum volumetrischen Verdampfen der
Brennstofftröpfchen
dient, zu vermeiden.
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In
den 6a und 6b ist
ein Brennstoffkonditionierungssystem 10 gezeigt, das einen
Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 mit Parabelform umfasst,
der eine parabolische reflektierende Wandoberfläche 21 besitzt. Eine
elektromagnetische Energiequelle 50 ist in dem Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 betreibbar
und ist so ausgebildet, um elektromagnetische Energie in Richtung
der Wände 21 auszusenden.
Ein Energiekonzentrationsgebiet 52 ist in dem Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 angeordnet,
wobei die elektromagnetische Energie von den, Wänden 21 zu dem Energiekonzentrationsgebiet 52 reflektiert
wird, wodurch konzentrierte Energie in dem Energiekonzentrationsgebiet
bereitgestellt wird, die höher
ist als in den Gebieten außerhalb
des Energiekonzentrationsgebiets. Des weiteren ist eine Brennstoffeinspritzung 18 mit einem
Auslassende 19 so gestaltet, um einen Brennstoffsprühstrahl 20 mit
einer Bahn durch das Energiekonzentrationsgebiet 52 auszugeben.
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In
dieser Ausführungsform
kann die elektromagnetische Energieemissionsquelle 50 als
mehrere einzelne gerichtete Quellen oder beispielsweise als ein
Oberflächensender
vorgesehen sein. Daher sind die ausgesandte elektromagnetische Energie
oder Wellen 40 so konfiguriert, um an den Innenwänden 21 des
Brennstoffkonditionierungshohlraums 22 oder innerhalb davon
reflektiert zu werden. Reflektierte elektromagnetische Energie 44 läuft dann
durch ein Energiekonzentrationsgebiet 52 (definiert als
die Schnittpunkte X' und
Y'), oder durch
spezielle Punkte oder Knoten (beispielsweise X' und/oder Y'). Anders ausgedrückt, wie in zuvor beschriebenen
Ausführungsformen,
kann die elektromagnetische Energieemissionsquelle 50 Energie
so aussenden, dass Energie kontinuierlich entlang des Energiekonzentrationsgebiets 52 oder
an diskreten Punkten 53 konzentriert wird. Ferner können Belüftungsöffnungen
(nicht gezeigt) in der zuvor beschriebenen Weise vorgesehen sein.
Der Brennstoffsprühstrahl
kann dann aus dem Auslassende 19 ausgeworfen werden, so
dass der Brennstoff durch das Energiekonzentrationsgebiet 52 läuft, wodurch
der Brennstoffsprühstrahl
oder die Tröpfchen
volumetrisch verdampft werden.
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In
den 7a und 7b ist
ein Brennstoffkonditionierungssystem 10 gezeigt, das einen
optionalen Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 aufweist,
der durch Wände 21 des
optionalen Brennstoffkonditionierungshohlraums definiert ist. In
dieser Ausführungsform
ist ein Brennstoffkonditionierungshohlraum nicht erforderlich, da
die elektromagnetische Energie 40 nicht notwendigerweise
von einer Wand reflektiert wird, um eine Energiekonzentration zu
erreichen. Beispielsweise kann die elektromagnetische Energie in
eine Verbrennungskammer (nicht gezeigt) geleitet werden. Eine Brennstoffeinspritzung 18 mit
einem Auslassende 19 zum Auswerfen eines Brennstoffsprühstrahls 20 in
den Brennstoffkonditionierungshohlraum ist ebenso vorgesehen, wobei
der Brennstoffsprühstrahl 20 eine
vorbestimmte Bahn besitzt. Eine elektromagnetische Energiequelle 50 kann
ausgebildet sein, um elektromagnetische Energie in den Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 entlang
der Bahn einzuführen.
Die elektromagnetische Energiequelle 50 kann ferner so
gestaltet sein, um eine volumetrische Erwärmung der Brennstoffsprühtröpfchen,
die von der Brennstoffeinspritzung 18 ausgeworfen werden,
zu bewirken. Ferner kann ein Energiekonzentrationsgebiet 52 in
dem optionalen Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 angeordnet
sein. In dieser Ausführungsform
ist das Energiekonzentrationsgebiet 52 so gestaltet, um
eine höhere Energiekonzentration
von Energie der elektromagnetischen Energiequelle 50 als
in Gebieten außerhalb des
Energiekonzentrationsgebiets zu empfangen.
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In
dieser Ausführungsform
können
mehrere elektromagnetische Energieemissionsquellen 50 radial
um die Brennstoffeinspritzung 18 herum angeordnet sein.
Somit sind die elektromagnetische Energie oder die Wellen 40 so
gestaltet, um durch ein Energiekonzentrationsgebiet 52 zu
laufen. Anders ausgedrückt,
wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann die elektromagnetische
Energieemissionsquelle 50 Energie so aussenden, dass die Energie
kontinuierlich in dem Energiekonzentrationsgebiet 52 oder
in unterbrochener Weise entsprechend den Brennstoffsprühstrahlzyklen
konzentriert wird. Des weiteren können Belüftungsöffnungen (nicht gezeigt) in
der zuvor beschriebenen Weise vorhanden sein. Der Brennstoffsprühstrahl 20 wird
daher so eingespritzt, dass dieser durch das Energiekonzentrationsgebiet 52 läuft, so
dass der Brennstoff volumetrisch verdampft werden kann.
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In
den 8a und 8b ist
ein Lithiumniobat 31 mit periodisch ausgebildeten Polen
gezeigt. Diese Figuren werden bereitgestellt, um eine mögliche Elementgestaltung
zu beschreiben, die verwendbar ist, um elektromagnetische Wellen
in eine Brennstoffkonditionierungskammer einzuführen. Das Lithiumniobat mit
den periodisch ausgeprägten
Polen kann einen elektromagnetischen Energieleiter 33,
einen optischen Koppler 35, einen nicht linearen Wellenlängenwandler 37 und
einen geschützten
optischen Koppler 39 aufweisen. Zunächst wird elektromagnetische
Eingangsenergie 41 eingeführt und durch die elektromagnetische
Energieleitung 33 geführt,
bevor diese in den optischen Koppler 35 eindringt und diesen
durchläuft.
Anschließend
dringt die elektromagnetische Energie in den PPLN 37 ein
und durchläuft
diesen. Die elektromagnetische Energie tritt dann in den geschützten optischen
Koppler 39 ein, bevor die Energie in einen Brennstoffkonditionierungshohlraum
eingeführt
wird. Nach dem Durchlaufen des schützenden optischen Kopplers 39 liegt
die Energie in Form der emittierten elektromagnetischen Energie 40 vor.
Das Lithiummiobathelement mit den periodisch ausgebildeten Polen
kann als die elektromagnetische Energie- oder Wellenquelle für eine beliebige
der zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwendet
werden.
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In 9 ist
eine Ausführungsform
eines Brennstoffkonditionierungssystems zur Verwendung mit einer
Hubkolbenverbrennungsmaschine 13 mit indirekter Brennstoffeinspritzung
gezeigt. Ein derartiges Brennstoffkonditionierungssystem umfasst
im Allgemeinen ein Einlassventil 11, eine Verbrennungskammerwand 12,
die eine Verbrennungskammer 14 definiert, einen Kolbenkopf 16 und
eine Brennstoffkonditionierungshohlraumwand 21, die einen
Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 definiert, der auch der
Einlassanschluss (oder Einlassverteilerleitung) in konventionellen
Motoren ist. Die Brennstoffkonditionierungsraumwand 21 kann
optional so ausgebildet sein, um elektromagnetische Energie zu reflektieren. Eine
Brennstoffeinspritzung 18 sowie ein Brennstoffsprühstrahl 20 ist
gezeigt, der zu geeigneten Zeitpunkten entsprechend der zyklischen
Bewegung des Kolbenkopfes vorhanden ist, wie dies dem Fachmann gut
bekannt ist. Der Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 ist
vorgesehen und ist so positioniert, dass der Brennstoffsprühstrahl 20 durch
den Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 vor dem Eintreten
in die Verbrennungskammer 14 läuft. Eine elektromagnetische
Energiequelle 24 ist dargestellt, die so ausgebildet ist,
um elektromagnetische Wellen 28 auszusenden. Ein Lithiumniobatelement 31 mit periodisch
ausgebildeten Polen kann beispielsweise verwendet werden, um die
elektromagnetischen Wellen in den Brennstoffkonditionierungshohlraum 22 einzukoppeln.
Obwohl das Lithiumniobatelement mit den periodisch ausgebildeten
Polen gezeigt ist, kann eine beliebige elektromagnetische Energie-
oder Wellenquelle verwendet werden, die zur Anwendung entsprechend
den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
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In
den 10a und 10b ist
eine Ausführungsform
einer drahtlosen Zündkerze 58 gezeigt. Hierbei
ist eine Mutter 60 vorgesehen, die verwendbar ist, um die
Zündkerze
in einen Motorzylinder einzuführen
oder zu entfernen. Ein Gewinde 62 ist vorgesehen, das ähnlich zu einer
konventionellen Zündkerze
funktioniert. Ein Isolator 64 kann vorgesehen sein, der
elektrisch nicht leitend und aus einer Substanz hergestellt sein
kann, etwa Keramikmaterial, oder einem anderen geeigneten Material,
das den sehr hohen Temperaturen widerstehen kann. In dieser Ausführungsform
ist ein Erdungsring 66 mit einem metallischen Material über diverse
Antennen, allerdings davon durch einen kleinen Spalt 70 getrennt, angeordnet,
die ein Array aus Antennen 68 bilden. Die Antennen 68 sind
so als Schleife geformt, dass ein Anschlussende jeder Antenne in
der Nähe
des Erdungsringes 66, der den Spalt 70 bildet,
angeordnet ist.
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Die
Drahtantennen können
verwendet werden, um elektromagnetische Energie zu sammeln, um einen
Funken zu erzeugen, ähnlich
wie bei konventionellen Zündkerzen,
wobei jedoch die zusätzliche
Erfordernis für
eine Verdrahtung der Zündkerzen zu
einer Leistungsquelle entfällt.
Durch Auswählen einer
elektromagnetischen Energiefrequenz, die im Wesentlichen durch den
Brennstoffdampf hindurchtritt (unabhängig davon, ob dieser entsprechend
der vorliegenden Erfindung konditioniert ist oder nicht), kann ein
Funke erzeugt werden, der zur Zündung
des verdampften Benzins dient. Eine derartige Ausbildung wäre vorteilhaft
gegenüber
elektromagnetischen Zündsystemen,
da der Funke in Hinblick auf Position und Intensität stabil
wäre. Da
ferner die Notwendigkeit für
eine Verdrahtung der Zündkerze
entfällt,
können
kleinere drahtlose Zündkerzen
hergestellt werden, die weniger kompliziert sind in Bezug auf die
Verdrahtung. Dies schafft die Möglichkeit, mehrere
Zündkerzen
in einer einzelnen Verbrennungskammer vorzusehen, wodurch die Möglichkeit für eine schnellere
und vollständigere
Verbrennung gegeben ist.
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11a und 11b zeigen
zwei alternative Ausführungsformen
drahtloser Zündkerzen.
In 11a ist der Erdungsring 66 so angeordnet,
dass ein Teil außerhalb
des Isolators 64 liegt. Obwohl ein Isolator 64 in
dieser Ausführungsform
gezeigt ist, ist dieser nicht erforderlich. Anders ausgedrückt, der Gewindebereich 62 und
der Erdungsring 66 können direkt
miteinander verbunden sein. In 11b ist kein
Erdungsring vorhanden, da ein Paar von Antennen 68 so ausgestaltet
ist, dass die Anschlussenden jeder Antenne nahe beieinander liegen,
wodurch eine geeignete Zündstrecke 70 gebildet
wird. Eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft sein, da der von
den beiden Antennen 68 erzeugte Funke näher an dem Zentrum der Verbrennungskammer
liegen kann. Dies kann eine vollständigere und schnellere Verbrennung
des Brennstoffes fördern,
da der Ort der Zündung
näher am
Zentrum der Brennstoffhauptmasse anstatt in der Nähe des Punktes
liegen kann, an welchem die Zünd kerze
in den Zylinder ragt. Eine derartige Ausgestaltung kann auch vorteilhaft
sein dahingehend, dass die Längen
der Antenne 68 so gewählt
werden können,
um die Effizienz zwischen der Position des Funkens relativ zu dem
Zylinder und der Größe des Funkens,
die durch die Länge
der Antenne und die Wellenlänge
der elektromagnetischen Energie bestimmt ist, zu maximieren. Wie
gezeigt ist, kann eine der beiden Drahtantennen 68 mit
dem Isolator 64 verbunden sein und die andere kann mit
einem leitenden Gewindebereich 62 verbunden sein. Indem
die drahtlose Zündkerze
auf diese Weise ausgebildet ist, kann eine der beiden Antennen in
einer unterschiedlichen Weise mit Energie beaufschlagt werden, als
die andere. Anders ausgedrückt,
eine der beiden Antennen kann eine maximale Spannung an oder in
der Nähe
des Spaltes aufweisen und die andere Antenne besitzt dabei kein
Spannungsmaximum. Somit kann eine Spannungsdifferenz zwischen den
beiden Antennen 68 und dem Spalt 70 das Erzeugen
eines Funkens besser unterstützen.
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Das
Prinzip einer drahtlosen Zündkerze kann
auf der Grundlage einer einfachen resonanten Drahtantenne erfolgen.
Bei Verwendung in der vorliegenden Erfindung empfängt die
Antenne eine elektromagnetische Welle mit einer Wellenlänge gemäß den folgenden
Formeln: L = mλ/2m
= 1, 2, 3, 4, 5, etc.
(10a, 10b und 11b) L = λ(1/4
+ n/2)n = 0, 1, 2, 3, 4, 5, etc.
(11a)
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Wobei
L die elektrische Länge
der Drahtantenne (gerade oder gebogen, wie dies dem Fachmann bekannt
ist), λ die
Wellenlänge
und m, n Ganzzahlen in einem spezifizierten Bereich sind. Eine derartige
Kombination führt
zur Ausbildung einer stehenden Welle, die stets ein Maximum an dem
Spaltende der Antenne besitzt. In einer Ausführungsform liegt das Spaltende
der Antenne dort, wo die Impedanz am höchsten ist, da das Spaltende
der Antenne isoliert ist, und der Strom weist entsprechend ein Minimum
an dem Spaltende der Antenne auf.
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In
der drahtlosen Zündkerze
werden diese Eigenschaften einer Empfangsantenne ausgenutzt, in
dem diverse Konfigurationen für
Empfangsantennen verwendet werden, um eine ausreichende Spannungsdifferenz
zur Erzeugung eines Funkens herzustellen. Beispielsweise kann die
Antennenempfangseinrichtung als Schleife ausgebildet und in der
Nähe eines
Erdungsinstruments, etwa eines Erdungsringes, abgeschlossen werden.
Alternativ kann die Antennenempfangseinrichtung ein Paar aus Metallantennen
sein, die ganz in der Nähe
des Spaltes angeordnet sind, wobei eine isoliert ist und die andere
direkt mit einem geerdeten leitenden Bereich der Zündkerze
verbunden ist. Unabhängig
von der verwendeten Struktur muss die Energiequelle so ausgebildet sein,
dass ein Funke in dem Spalt erzeugt werden kann, indem Mikrowellen
Energie oder andere elektromagnetische Energie in eine Verbrennungskammer
ausgesendet wird, wodurch eine Zündung
eines verdampften Brennstoffs bewirkt wird.
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Wenn
die verwendete Empfangseinrichtung eine isolierte Antenne ist, kann
die Antenne in Verbindung mit einem elektrischen Leiter für eine geringe Spannung
ausgelegt sein. Die Antenne endet an einem Ende an einem Punkt ganz
in der Nähe
des geerdeten Leiters, ohne diesen zu berühren. Der resultierende kleine
Spalt zwischen der Antenne und der Erde dient als eine Funkenstrecke.
Da die Spannung an dem Ende der Antenne eine ausreichend hohe Spannung
in Bezug auf das Erdungspotential erreicht, wird ein Funke in der
Funkenstrecke erzeugt. Der Funke dient dann als die Zündquelle
für den Brennstoff
in einem Zylinder einer Hubkolbenverbrennungsmaschine.
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12 zeigt
ein alternatives System zum Einführen
elektromagnetischer Wellen in eine Brennstoffkonditionierungskammer
in einer Hubkolbenverbrennungsmaschine. Im Allgemeinen ist bei 72 ein Resonatorsystem
für Wanderwellen
gezeigt, das ausgebildet ist, eine resonante Welle 73 innerhalb
einer Applikatorkammer oder eines Brennstoffkonditionierungshohlraumes 74 zu
erzeugen. Resonanz wird in der Applikatorkammer 74 erreicht,
wenn die Frequenz der zirkulierenden Welle, die von dem elektromagnetischen
Wellengenerator 76 erzeugt wird, ein ganzeiliges Vielfaches
der fundamentalen Resonanzfrequenz des Resonanzringes 78 ist.
Eine Phasenänderungseinrichtung 82 justiert
die Phase der Wanderwelle bis Resonanz erreicht ist. Ein Richtungskoppler 80 lenkt
Energie von dem Generator 76 zu der Phasenänderungseinrichtung 82 oder
einer Blindlast 84. Wenn der. Resonanzring 78 zusätzliche Energie
erfordert, ermöglicht
der Richtungskoppler 80, dass weitere Energie in den Ring 78 eintritt.
Wenn der Ring keine weitere Energie erfordert, ermöglicht es
der Richtungskoppler 80, dass Energie von dem Generator 76 in
die Blindlast 84 abgeführt
wird.
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13 bietet
eine detailliertere Ansicht der Applikatorkammer 74, die
in 12 gezeigt ist. Generell ist bei 10 ein
Brennstoffkonditionierungssystem zur Anwendung in einer Hubkolbenverbrennungsmaschine
gezeigt. Das Brennstoffkonditionierungssystem 10 weist
im Wesentlichen eine Verbrennungskammerwand 12, die eine
Verbrennungskammer 14 definiert, und einen Kolbenkopf 16 auf.
Eine Brennstoffeinspritzung 18 sowie ein Brennstoffsprühstrahl 20 sind
gezeigt, wobei dieser in dem Zylinder entsprechend der zyklischen
Bewegung des Kolbenkopfes vorhanden ist, wie dies dem Fachmann bekannt ist.
In dieser Ausführungsform
kann der Brennstoffsprühstrahl 20 durch
die Applikatorkammer oder den Brennstoffkonditionierungshohlraum 74 strömen, bevor
dieser in die Verbrennungskammer 14 eintritt. Die resonante
Welle 73 in der Applikatorkammer 74 wird so erzeugt,
dass die Frequenz der resonanten Welle 73 innerhalb eines
Bereiches liegt, der ausreicht, um ausreichend molekulare Rotations-
und/oder Schwingungsabsorption hervorzurufen, um damit ein volumetrisches
Erwärmen
des Brennstoffsprühstrahls 20 zu
bewirken.
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Die
vorliegende Ausführungsform
ist vorteilhaft, da die Wellenlänge
der elektromagnetischen Welle auf der Grundlage der molekularen
Resonanz des Brennstoffes ausgewählt
werden kann, ohne dass die physikalische Größe und Form der Applikatorkammer
zu berücksichtigen
ist. Da die Kammerresonanz erreicht wird, indem die Phasenverschiebung eingestellt
wird, kann eine Resonanz mit einer beliebigen Frequenz der elektromagnetischen
Energie erreicht werden, unabhängig
von der Größe oder
Form der Kammer. Diese Freiheit bei der Auswahl der Wellenlängen erlaubt
eine höhere
Flexibilität
bei der Gestaltung der Applikatorkammer und erlaubt das Maximieren
der Effizienz des Systems.
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Es
sei nun auf eine allgemeinere Erläuterung der hierin gezeigten
Ausführungsformen
und auf äquivalente
Ausführungsformen
hingewiesen, wobei viele Variablen in Abhängigkeit der Anforderungen der
Anwendung geändert
werden können.
Beispielsweise kann die Wellenlänge
oder die Frequenz der elektromagnetischen Energie ein wichtiger
Gesichtspunkt für
eine spezielle Anwendung sein. Beispielweise funktioniert ein konventioneller
Mikrowellenherd bei einer typischen Frequenz von 2.45 GHz, was eine
Funktion für
das Erwärmen
leicht ionisch gebundenem Wassers, das in den meisten Nahrungsmitteln
zu finden ist, ermöglicht.
Es ist bekannt, das Kochöl
und andere Kohlenwasserstoffe ohne Feuchtigkeitsgehalt für Mikrowellen
innerhalb dieses Frequenzbereiches transparent sind. Um Benzin oder
Dieselbrennstoff oder nahezu jeden Kohlenwasserstoff, der kein Wasser
enthält,
zu verdampfen, ist es notwendig, den Brennstoff mit leicht zu ionisierender
Feuchtigkeit zu mischen oder einen anderen Frequenzbereich zu wählen. Das
Einführen
zusätzlicher Feuchtigkeit
in die Motorverbrennungskammer ist aus diversen Gründen unerwünscht.
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Für einen
Motorenbrennstoff, der typischerweise in Hubkolbenverbrennungsmotoren
verwendet wird, ist es praktischer, Frequenzen für die elektromagnetische Energie
zu wählen,
die von dem Brennstoff in effizienter Weise absorbiert werden können. Obwohl
eine beliebige funktionelle Frequenz für die vorliegende Erfindung
in jeder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen möglich ist,
ist es vorteilhaft, dass eine Frequenz von ungefähr 3 Gigahertz (GHz) bis 3
Petahertz (PHz) benutzt wird. Ein derartiger Frequenzbereich besitzt
eine entsprechende Wellenlänge
von 0.1 μm
bis 10 cm, was ausreichend groß im Vergleich
zu Brennstoffsprühtröpfchen ist,
die typischerweise einen Durchmesser von 20 mm oder weniger aufweisen.
Derartige Wellenlängen
können eine
schnelle Verdampfung der Sprühtröpfchen durch
volumetrisches Erwärmen
ermöglichen,
im Gegensatz zu konventionellen Mitteln zum Verdampfen mittels Wärmeleitung
und Konvektion, wodurch lediglich die Oberfläche der Brennstofftröpfchen verdampft
wird. In einer Ausführungsform
liegt eine bevorzugte Wellenlänge
zur Verbesserung des raschen Sprühtröpfchenverdampfens
eines typischen Brennstoffes auf Kohlenwasserstoffbasis im Infrarotgebiet, das
von 1 μm
bis 12 μm
reicht. Ein noch bevorzugterer Wellenlängenbereich kann von 3 μm bis 4 μm reichen
oder kann von 9 μm
bis 10 μm
reichen, abhängig
von der Auswahl des Brennstoffes und/oder der Konfiguration des
Hohlraums.
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Um
eine Ausführungsform
zu veranschaulichen, in der die Auswahl des Brennstoffes mit einer Wellenlänge für ein effizientes
volumetrisches Aufheizen gut in Übereinstimmung
gebracht werden kann, kann die Anwendung von Energie mit einer Wellenlänge von
8 μm bis
12 μm (vorzugsweise
von 9 μm
bis 10 μm)
im fernen Infrarotgebiet in Betracht gezogen werden. Für ein verbessertes
volumetrisches Erwärmen
kann man einen volumetrischen Wärmeverstärker, etwa
Alkohol, in den Brennstoff einführen
(oder der Brennstoff kann selbst ein derartiges Material sein).
Zu Beispielen gehören
Methanol und/oder Ethanol und eine beliebige Anzahl anderer Alkohole
oder Kohlenwasserstoffe, die der Fachmann kennt, die in diesen Bereich
absorbieren. 2-Methoxy-2-Methyl-Propan ist ein weiteres Beispiel eines
gut bekannten Brennstoffadditivs, das gegenwärtig als ein Oktanaufbesserer
für Benzin
verkauft wird, und das Energie bei ungefähr 10 μm Wellenlänge absorbiert. In einer Ausführungsform
kann ein Primärbrennstoff,
etwa Benzin oder Dieselbrennstoff, mit einem ener gieabsorbierenden
Aufbereitungsstoff mit einem gegebnen funktionalen Verhältnis gemischt
werden. Beispielsweise können
Methanol, Ethanol und/oder andere Verstärker, die für Energieabsorption mit einem
Wellenlängenbereich
von ungefähr
9 μm bis
10 μm bekannt
sind, alleine verwendet werden, oder die Verstärker können dem Primärbrennstoff
zugesetzt werden. Funktionelle Verhältnisse des Primärbrennstoffes,
beispielsweise Diesel oder Benzin, zu dem Absorptionsaufbereiter
können 100%
Aufbereitungskomponente bis 0.0001% (1 ppm) Aufbereitungskomponente,
entweder bezogen auf das Gewicht oder das Volumen, betragen. Der Wellenlängenbereich
von 9 μm
bis 10 μm
ist aus Beispielsgründen
dargestellt, da derartige Wellenlängen in einfacher Weise von
einem CO2 Laser erzeugt werden können, der
weithin kommerziell verfügbar ist.
Es kann jede beliebige hierin beschriebene Wellenlänge verwendet
werden, vorausgesetzt, dass die Wellenlänge für das volumetrische Erwärmen des verwendeten
Brennstoffes wirksam ist, unabhängig davon,
ob der Brennstoff modifiziert ist oder nicht.
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Zur
Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die elektromagnetische
Energiequelle auch so gestaltet sein, um mehrere elektromagnetische
Energiefrequenzen in den Brennstoffkonditionierungshohlraum einzuführen. Es
wurde beobachtet, das Infrarotabsorptionswellenspetren von Methan,
Ethan, Propan, Butan, Oktan, Hexadekan und Ethanol und dergleichen
eine hohe Energieabsorption bei Wellenlängen von ungefähr 3 μm bis 4 μm zeigen.
Es wird angenommen, dass die Kohlenstoffwasserstoffverbindung bei
dieser Wellenlänge eine
volumetrische Erwärmung
durch molekulare Schwingungsenergieabsorption erzeugen kann.
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Wenn
die elektromagnetischen Energien im Infrarotgebiet liegen, werden
optische Materialien, etwa Glas und Quarz lichtundurchlässig. Daher
kann es vorteilhaft sein, Kalziumflourid (CaF2)
zu benutzen, um eine optische Komponente zu bauen, die als eine
Linse dienen kann. Es wird in Betracht gezogen, dass bei weiteren
Fortschritten in der Optik Modifizierungen derartiger Optiken in
diese Erfindung mit einbezogen werden können, einschließlich der
Anwendung von Lichtquellen, die in der Lage sind, direkt Wellen
von beispielsweise 3.5 μm
zu erzeugen.
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Um
die volumetrische Verdampfung des Brennstoffes zu bewirken, ist
es vorteilhaft, dass die elektromagnetische Frequenz/Wellenlänge mit
einer molekularen Resonanzfrequenz des Brennstoffes in Übereinstimmung
gebracht wird. Eine derartige Resonanzfrequenz kann so angepasst
werden, dass eine molekulare Schwingungs- und/oder Rotationsresonanzabsorption
auftritt. Obwohl es ideal ist, eine Resonanzfrequenz in der beschriebenen
Weise zu nutzen, liegt jeder beliebige Grad an Schwindungs- oder
Rotationsresonanz, der zum Bereitstellen einer volumetrischen Konditionierung
oder Verdampfung bis zu einem gewissen Grade wirksam ist, innerhalb des
Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung.
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Hinsichtlich
der obigen Figuren sowie anderer hierin beschriebener Ausführungsformen
oder äquivalenter
Ausbildungen und Verfahren gilt, dass Brennstoffe, für die diese
Technologien genutzt werden können,
Benzine, Dieselbrennstoffe, Öle,
Alkohole, Biodiesel, andere alternative Brennstoffe, modifizierte
Brennstoffe, Brennstoffmischungen und dergleichen mit einschließen. Es
gibt jedoch eine große Nachfrage,
die in den Bereichen von Benzin- und Dieselbrennstoffmotoren erkannt
wurde. Obwohl ferner alle Figuren Wände darstellen, die gekrümmt sind,
ist dies nicht in allen Ausführungsformen
erforderlich. Beispielsweise erkennt der Fachmann unter Berücksichtigung
der vorliegenden Offenbarung, dass nicht gekrümmte Wände in einigen Ausführungsformen
einschließlich
der Anwendung ebener und/oder polygonaler Wände, möglich ist. Obwohl ferner die
bevorzugte Ausführungsform
typischerweise das volumetrische Erwärmen durch Erreichen einer
molekularen Resonanz befürwortet,
ist dies nicht notwendigerweise der einzige Erwärmungsmechanismus.
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Wenn
dies berücksichtigt
wird, kann die vorliegende Erfindung, wie sie zuvor in den obigen
Ausführungsformen
beschrieben ist, auf Brennstoffkonditionierungssystem zum Bereitstellen
von Brennstoff für
einen Zylinder einer Hubkolbenverbrennungsmaschine angewendet werden,
wobei der Brennstoff mittels direkter Brennstoffeinspritzsysteme
oder indirekter Brennstoffeinspritzsysteme zugeführt wird. Die vorliegende Erfindung
offenbart ferner Verfahren zum Konditionieren von Brennstoff zur
Verwendung in einer Verbrennungsmaschine. Diese Erfindungen hängen zusammen
durch die Verwendung elektromagnetischer Energie, um Brennstoff
in Hubkolbenverbrennungsmaschinen zu konditionieren, die Zündenergie
zu erhöhen
und Funken bei Ottomotoren zu erzeugen. Durch Ausnutzung elektromagnetischer Energie
zur Konditionierung oder volumetrischen Erwärmung des Brennstoffes vor
der Zündung
kann eine vollständigere
Verdampfung die Folge sein. Beispielsweise wird in einem konventionellen
Brennstoffverbrennungsprozess flüssiger
Brennstoff von der Oberfläche
zur Mitte hin durch Wärmeleitung
und Konvektion erhitzt. Somit verdampft das äußere des Brennstofftröpfchens
bevor das Innere des flüssigen Brennstofftröpfchens
verdampft. Der verdampfte Bereich wird dann rasch verbrannt und
das flüssige Zentrum
verbrennt le diglich langsam. Dieses langsame Verbrennen des inneren
Bereichs des flüssigen Brennstofftröpfchens
führt zu
einer unvollständigen Verbrennung.
Somit wird ein Teil des Brennstofftröpfchens aus der Verbrennungskammer
als Ruß anstatt als
erwünschtes
Abgas herausgeführt,
was zu einer Rußbildung
und zu unerwünschteren
Emissionen führt.
Andererseits kann unter den richtigen Bedingungen elektromagnetische
Energie verwendet werden, um Brennstoff über das gesamte Volumen hinweg
(sowohl innen als auch außen)
zu erwärmen
im Gegensatz zu lediglich Aufheizen der Oberfläche oder des Randbereiches,
wobei Wärmeleitung
und Konvektion zur Erwärmung
des Inneren des Brennstoffvolumens ausgenutzt werden. Anders ausgedrückt, durch
die Nutzung elektromagnetischer Energie zur Erwärmung des Brennstofftröpfchens
vor dem Zünden
kann die äußere Oberfläche des
Tröpfchens gleichzeitig
mit dem inneren Bereich des Tröpfchens erhitzt
werden. Folglich verbleibt kein flüssiges Zentrum des Brennstofftröpfchens,
das langsam verbrennt. Vielmehr wird das gesamte Brennstofftröpfchen volumetrisch
verdampft und das gesamte verdampfte Tröpfchen kann im Wesentlichen
vollständig verbrannt
werden. Eine der Bedingungen, die eingerichtet werden können, um
den Brennstoff über
sein ganzes Volumen hinweg zu erwärmen, besteht darin, ein Brennstofftröpfchen bereitzustellen,
das vergleichbar oder kleiner als die Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen
Energie ist. Zur Illustrierung sei darauf hingewiesen, dass ein
typischer Brennstoffsprühstrahl
Brennstofftröpfchen
von ungefähr
20 μm Durchmesser
enthält,
was vergleichbar ist zu einer Wellenlänge des Infrarotbereichs. Somit kann
in einer weiteren Ausführungsform
eine elektromagnetische Energie von ungefähr 3 bis 300 THz (Wellenlänge von
100 μm bis
1 μm, was
im Infrarotbereich liegt) ein Volumenerwärmen hervorrufen, wie dies
zuvor beschrieben ist.
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Die
zuvor beschriebenen Ausführungsformen
und deren Äquivalente
können
in ausreichender Weise Energie an den Brennstoff mit einem einzelnen
Durchlauf elektromagnetischer Energie übertragen. Somit muss ein Brennstoffkonditionierungssystem
optional nicht einen separaten Brennstoffkonditionierungshohlraum
aufweisen, der von der Vertrennungskammer getrennt ist. Wenn beispielsweise
Mikrowellenenergie genutzt wird, dann kann die elektromagnetische
Quelle mittels eines Wellenleiters an den Brennstoffkonditionierungshohlraum
angekoppelt werden. Insbesondere der Wellenleiter kann eine Anschlussgrenzfläche mit
einem Pfropfen aufweisen, der im Wesentlichen für die Mikrowellenenergie durchlässig ist
und zur Aufrechterhaltung des Druckes in dem Zylinder dient. Ein
geeignetes Material für
einen derartigen Pfropfen ist ein Keramikmaterial, das für Mikrowellenenergie
durchsichtig ist und das in der Lage ist, dem Druck und der Wärme, die
in einem Zylin der einer Verbrennungsmaschine erzeugt werden, zu
widerstehen. Insbesondere bei Dieselmotoren, in denen sehr hohe
Drucke vorhanden sind, ist ein derartiger Pfropfen vorteilhaft.
Wenn die Dicke des Keramikpfropfens gleich ein halb der Wellenlänge oder
ein halb der Wellenlänge
plus ein ganzahliges Vielfaches einer Wellenlänge (z. B. λ/2 + nλ, n = 0, 1, 2, 3,..., wobei λ die Wellenlänge ist),
dann laufen die elektromagnetischen Wellen durch den Pfropfen, ohne
dass sie reflektiert werden. In einer Ausführungsform kann der Pfropfen
so gestaltet sein, dass die Wände
von dem Zylinder weg auseinanderlaufen. Wenn daher der Wellenleiter
am Anschlussende als eine Hornantenne ausgebildet ist, presst der
positive Druck, der in dem Zylinder erzeugt wird, dem Pfropfen gegen
die Wände
des Horns, wodurch ein Hineingleiten des Pfropfens in den Wellenleiter
verhindert wird. In einer Verbrennungsmaschine ist die Bedingung
im Inneren der Kammer zum Zeitpunkt des Zündens typischerweise bei einem
Druck von ungefähr
3 bis 5 Atmosphären
(atm) und einer Temperatur von 200°C bis 300°C. In einem Dieselmotor liegen
die Bedingungen bei bis zu 10 atm und reichen von 300°C bis 500°C. Typische
Mikrowellengeneratoren, etwa Magnetrone und Halbleiterelemente,
und typische Wellenleiter sind nicht so gestaltet, um derartigen
Bedingungen zu widerstehen. Somit kann die Anwendung des Pfropfens,
wie er zuvor beschrieben ist, einige dieser Unverträglichkeiten
vermeiden.
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Das
Brennstoffkonditionierungssystem kann zusätzlich in Motoren ohne Hubkolben
verwendet werden, wobei die Verbrennung nicht in unterbrochener
Weise, sondern kontinuierlich stattfindet. Beispiele von Verbrennungsmaschinen
ohne Hubkolben, die so gestaltet sind, um ein Brennstoffkonditionierungssystem
entsprechend der vorliegenden Erfindung aufzunehmen, sind Düsenstrahlmaschinen,
Gasturbinen und Öfen.
Diese Beispiele arbeiten in einem Gleichgewichtszustand bei kontinuierlicher
Verbrennung, so dass das Brennstoffkonditionierungssystem der vorliegenden
Erfindung integriert werden kann, um Brennstoff ohne Zünden zu
verdampfen, um damit eine sauberere Verbrennung zu ermöglichen.
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Wie
zuvor dargelegt ist, kann die vorliegende Erfindung so gestaltet
sein, dass diese sowohl mit Benzinmotoren als auch mit Dieselmotoren
sowie mit anderen Motoren verwendbar ist. Wenn ein Benzinmotor verwendet
wird, dann ist eine zusätzliche
Funkenquelle erforderlich. Die Funkenquelle kann eine konventionelle
Zündkerze
oder eine drahtlose Zündkerze
sein, wie sie hierin beschrieben ist.
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In
jeder Ausführungsform
(selbstzündend oder
funkengezündet)
kann der Brennstoffkonditionierungshohlraum in Form einer geometrischen
Hülle (z.
B. zylindrisch, quadratisch, rechteckig, polygonal, etc.) sein,
die in die Verbrennungskammer hineinragt (wie dies in den 3a bis 3c gezeigt
ist). Alternativ kann der Brennstoffkonditionierungshohlraum in
der Wand. des Zylinders eingebettet sein, wie dies in den 1 und 2a bis 2b gezeigt
ist. Dies ist eine vorteilhaftere Konfiguration, da gewisse Vorteile
mit einer derartigen Gestaltung erreicht werden. Da beispielsweise
die Temperatur in einer arbeitenden Verbrennungskammer so hoch ist,
kann die Wand des Motorenzylinders so gestaltet sein, um als eine
Wärmesenke
zu dienen. Ferner kann ein Kühlmittel
um das Äußere des
Zylinders geführt
werden, wobei die Zylinderwände
gekühlt
werden, und somit auch die Wände
des Brennstoffkonditionierungshohlraums. Unabhängig von der angewendeten Gestaltung
kann der Brennstoffkonditionierungshohlraum formmäßig so gestaltet
sein, dass ein effizientes Erzeugen einer stehende Welle gefördert wird.
Zudem können
die Wände
des Brennstoffkonditionierungshohlraumes in Bezug auf die elektromagnetischen Wellen,
die zur Konditionierung des Brennstoffes verwendet werden, reflektierend
sein.
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In
der zuvor beschriebenen Ausführungsform
kann der Brennstoffkonditionierungshohlraum separat zu der Verbrennungskammer
mittels eines Ventils vorgesehen sein, das eine räumliche
Trennung des Brennstoffkonditionierungshohlraums von der Verbrennungskammer
ermöglicht,
und damit dazu dient, das volumetrische Erwärmen oder Verdampfen des Brennstofftropfens
zu verbessern. Die verbesserte Verdampfung kann ferner im Wesentlichen
vollständig
vor dem Einleiten in die Verbrennungskammer stattfinden. Das Ventil
dient dazu, um als eine intermittierende Öffnung zu dienen, die in unterbrochener
Weise den Brennstoffkonditionierungshohlraum strömungsmäßig mit der Verbrennungskammer
koppelt.
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Ferner
ist in Betracht zu ziehen, dass in allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen
Belüftungsöffnungen
verwendet werden können,
um den Brennstoffkonditionierungshohlraum fluidmäßig mit der Verbrennungskammer
zu verbinden, um das Mischen von Luft mit dem Brennstoffsprühstrahl
zu erleichtern. Des weiteren kann der Brennstoffkonditionierungshohlraum
fluidmäßig mit
der Verbrennungskammer ohne Belüftungsöffnungen
gekoppelt sein, und der Hohlraum kann optional entfernbar angeordnet
sein, beispielsweise durch Vorsehen von Schrauben, Gewinden, wie
dies in 2a gezeigt ist. Dies ist aus
diversen Gründen
vorteilhaft, z. B. wenn der Brennstoffkonditionierungshohlraum beschädigt wird.
In diesem Falle kann der Brennstoffkonditionierungshohlraum ersetzt
werden, ohne dass die gesamte Verbrennungskammer oder die Lufteinlassverteilerleitung
ersetzt werden muss. Da der Brennstoffkonditionierungshohlraum nicht
zwingend in allen vorgestellten Ausführungsformen erforderlich ist, können andere
Strukturen als der Brennstoffkonditionierungshohlraum in mechanisch
entfernbarer Weise ausgeführt
sein. Z. B. kann die elektromagnetische Energiequelle demontierbar
sein.
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Ein
Verfahren zum Konditionieren von Brennstoff zur Verwendung in einer
Hubkolbenverbrennungsmaschine ist ebenso offenbart, wobei die dargestellten
Strukturen oder äquivalente
Strukturen verwendbar sind. Das Verfahren umfasst die Schritte des
Einspritzens von Brennstoff in einen Brennstoffkonditionierungshohlraum,
der durch Wände
in einer Hubkolbenverbrennungsmaschine definiert ist; und das Aussenden
elektromagnetischer Wellen in den Brennstoffkonditionierungshohlraum
und Reflektieren der elektromagnetischen Wellen von den Hohlraumwänden in
den Brennstoffsprühstrahl,
um eine molekulare Schwingungsresonanzabsorption in dem Brennstoffsprühstrahl
zu bewirken. Das Verfahren zum Konditionieren von Brennstoff kann
ferner den Schritt des Korrelierens einer elektromagnetischen Wellenlänge, einer
Brennstoffkonditionierungshohlraumsabmessung und einer Brennstoffresonanzfrequenz
so umfassen, dass eine elektromagnetische stehende Welle herstellbar
ist, die das volumetrische Erwärmen
des Brennstoffsprühtröpfchens
bewirkt. Alternativ stellt das Verfahren zum Konditionieren von
Brennstoff optional einen Brennstoffkonditionierungshohlraum bereit,
der zumindest teilweise den Brennstoffkonditionierungshohlraum durch
einen optischen Spiegel definiert, wodurch eine Oberfläche bereitgestellt
wird, so dass reflektierte elektromagnetische Wellen, sobald sie
in den Brennstoffkonditionierungshohlraum eingeführt sind, durch den Brennstoffsprühstrahl
hindurch reflektiert werden. Der Schritt des Einführens elektromagnetischer
Wellen kann die Verwendung elektromagnetischer Wellen von Wellenlänge von
0.1 μm bis
10 cm beinhalten. In einer Ausführungsform
kann die eingeführte
elektromagnetische Energie im Infrarotgebiet liegen. In einer weiteren
Ausführungsform
können
die elektromagnetische Wellen eine Wellenlänge von 3 μm bis 4 μm aufweisen. In noch einer weiteren
Ausführungsform
kann die elektromagnetische Energie in einem Wellenlängenbereich
von 9 μm
bis 10 μm
liegen. In den beiden vorhergehenden Ausführungsformen kann die elektromagnetische
Energie mittels eines Lithiumniobatelementes mit periodisch ausgebildeten
Polen oder einem CO2-Laser eingeführt werden. Das
Verfahren zum Konditionieren von Brennstoff kann in einer Hubkolbenverbrennungsmaschine durchgeführt werden
mittels eines direkten Brennstoffeinspritz systems oder eines indirekten
Brennstoffeinspritzsystems z. B. einem Einlassportinjektionssystem.
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Selbstverständlich sind
die oben benannten Ausführungen
als anschaulich für
das Anwenden der Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu verstehen. Es
können
diverse Modifizierungen und alternative Ausführungsformen durchgeführt werden,
ohne vom Grundgedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung
abzuweichen, während
die vorliegende Erfindung in den Zeichnungen und der Beschreibung zuvor
im Zusammenhang mit den beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung
dargestellt wurde. Der Fachmann erkennt, dass diverse Modifizierungen durchgeführt werden
können,
ohne von den Prinzipien und Konzepten der Erfindung, wie sie in
den Ansprüchen
dargestellt ist, abzuweichen.
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Zusammenfassung
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Ein
System und ein Verfahren zum Konditionieren und/oder Verdampfen
von Brennstoff innerhalb einer Verbrennungsmaschine, um eine vollständigere
Verbrennung zu bewirken, ist hierin bereitgestellt. In einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst das System eine Verbrennungskammer einen Verbrennungskonditionierungshohlraum
der durch Wände
definiert ist, die strömungsmäßig mit
der Verbrennungskammer verbunden sind; ein Brennstoffeinstellspritzsystem
zum Auswerfen eines Brennstoffsprühstrahls durch den Brennstoffkonditionierungshohlraum
hindurch; und eine elektromagnetische Energiequelle die elektromagnetisch
so ausgebildet ist, um elektromagnetische Wellen in den Brennstoffkonditionierungshohlraum
und in den Brennstoffsprühstrahl
einzuführen,
um damit ein volumetrisches Erwärmen
eines Tröpfchens
des Brennstoffsprühstrahls
zu bewirken, sobald dieser von der Brennstoffeinspritzung ausgeworfen
wird.