-
Die
Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des
Oberbegriffs des Anspruchs 1 und zum anderen ein Verfahren zur Verringerung
des Schadstoffausstoßes
einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
5.
-
Aus
der Patentschrift
DE
198 02 745 C2 ist eine Mikrowellentechnische Zünd- und
Verbrennungsunterstützungseinrichtung
für eine
Brennkraftmaschine bekannt, mit welcher Mikrowellen gepulst in einen
Brennraum der Brennkraftmaschine eingekoppelt werden. Durch eine
besondere Wahl der Moden der Mikrowellenausbreitung im Brennraum
wird eine Verbesserung der räumlichen
Verteilung der Entflammung und der Verbrennung erreicht, so dass insbesondere
Ablagerungen an den Brennraumwänden
vorgebeugt wird.
-
Durch
die Einkopplung der Mikrowellen wird bei der
DE 198 02 745 C2 über eine
verbesserte Gleichverteilung der Verbrennung zwar der Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine
unter Umständen
vermindert, jedoch werden wesentliche schadstoffbildende Elementarprozesse
nicht unmittelbar beeinflusst.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren
zur Verringerung des Schadstoffausstoßes einer Brennkraftmaschine zur
Verfügung
zu stellen, bei welchen durch Einkopplung von Mikrowellen in eine
Brennkammer direkt auf schadstoffbildende Elementarprozesse Einfluss
genommen werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
-
Die
erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet
sich dadurch aus, dass durch die Einkopplung von Mikrowellen im
Brennraum der Brennkraftmaschine ein nichtthermisches Plasma erzeugbar ist.
Durch die in den Brennraum eingekoppelten Mikrowellen ist erfindungsgemäß wenigstens
ein Teil des vom Brennraum eingeschlossenen Gasvolumens wenigstens
zeitweise in den Zustand eines nichtthermischen Plasmas versetzbar.
Dabei wird unter einem nichtthermischen Plasma wie üblich ein
Zustand eines Gases mit einer Vielzahl von ionisierten Teilchen
bzw. Elektronen verstanden, deren Bewegungsenergien im Unterschied
zu einem thermischen Plasma nicht entsprechend der Boltzmann-Verteilung verteilt
sind. Insbesondere sind in einem nichtthermischen Plasma freie Elektronen
mit hoher Bewegungsenergie vorhanden, wogegen Atome und Moleküle eine
demgegenüber
vergleichsweise geringe Bewegungsenergie besitzen. Die hochenergetischen
Elektronen stoßen
mit den übrigen
Gasteilchen und können
diese dabei ionisieren, dissoziieren oder in angeregte Zustände versetzen.
Dabei entstehen reaktive Radikale, die mit Schadstoffen in mehr
oder weniger komplexen Reaktionsketten reagieren und zur Umsetzung
der Schadstoffe führen können. Die
im nichtthermischen Plasma vorhandenen Molekülionen, Radikale oder ionisierten
Atome stoßen
chemische Elementarprozesse an oder beeinflussen über Elementarprozesse
ablaufende chemische Reaktionen, so dass auf diese Weise die Bildung
von Schadstoffen beeinflusst werden kann. Ferner können bereits
gebildete Schadstoffe ionisiert werden oder deren Bindungen aufgebrochen
werden, so dass die Schadstoffe direkt oder durch Folgereaktionen
abgebaut werden können.
Dies trifft sowohl für
die für
die Rußbildung
maßgeblichen
Reaktionen, als auch für
andere Schadstoffe wie Stickoxide oder Kohlenwasserstoffe zu. Aus
diesem Grund können
durch die im nichtthermischen Plasma vorhandenen Ionen oder freien
Elektronen sowohl die Bildung von Schadstoffen, wie beispielsweise
Ruß, als
auch der Abbau bereits gebildeter Schadstoffe wie beispielsweise
Stickoxide positiv beeinflusst werden. Der Vorteil des nichtthermischen
Plasmas liegt hierbei insbesondere darin, dass die maßgeblichen Reaktionen
nicht über
eine thermische Aktivierung, sondern über eine bindungschemische
Aktivierung bzw. über
eine Aktivierung der Elektronenhülle
der beteiligten Reaktanden veranlasst werden. Aus diesem Grund ist
für die
Initiierung der maßgeblichen Reaktionen
eine Bereitstellung von hohen Temperaturen nicht erforderlich. Andererseits
lässt sich über die
Art der Mikrowellen und deren Einkopplung die Energieverteilung
der freien Elektronen und Ionen und die Zusammensetzung der erzeugten
chemisch aktiven Spezies beeinflussen. Damit kann auf die Bildung
von Schadstoffen oder den Abbau von Schadstoffen noch im Brennraum
Einfluss genommen werden. Insbesondere kann dies durch eine zeitliche
Modulation der Mikrowelleneinkopplung bzw. der Energieverteilungsfunktion
der freien Elektronen erfolgen. Die Einkopplung der Mikrowellen
erfolgt vorzugsweise gepulst über
geeignete Einkoppelmittel, welche vorzugsweise eine Mikrowellenleitung
und eine in den Brennraum ragende Antenne umfassen.
-
In
Ausgestaltung der Erfindung sind in dem vom nichtthermischen Plasma
erfassten Gasvolumen freie Elektronen mit einer Energie von mehr
als 9,8 eV erzeugbar. Darunter wird verstanden, dass eine Energieübertragung
auf im Plasma vorhandene freien Elektronen erfolgt, bzw. dass Elektronen
aus ihrem Bindungszustand gelöst
werden, so dass freie Elektronen mit einer Energie von mehr als
9,8 eV im Plasma vorhanden sind. Dadurch wird es möglich, insbesondere
die Bindung von Stickstoffmolekülen aufzubrechen
und Stickstoff-Radikale
zu erzeugen, welche in einer Folgereaktion mit Stickoxid-Molekülen reagieren
und deren Abbau verursachen. Insbesondere ist es in diesem Zusammenhang
vorteilhaft, wenn die Mikrowellen so eingekoppelt werden, dass im
erzeugten nichtthermischen Plasma die Mehrzahl der vorhandenen freien
Elektronen eine Energie von mehr als 10 eV aufweisen. Neben einem
Abbau von Stickoxid-Molekülen
kann auf diese Weise zusätzlich der
Rußbildungsprozess
günstig
beeinflusst werden, was insbesondere bei einer als Dieselmotor ausgebildeten
Brennkraftmaschine vorteilhaft ist.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Einkopplung der ersten
Mikrowellen in den Brennraum zeitlich derart mit dem Brennkraftmaschinenbetrieb
synchronisierbar, dass das nichtthermische Plasma innerhalb des
Expansionstaktes oder des Ausschiebetaktes bei einer Kolbenstellung
im Bereich von 90° nach
dem oberen Totpunkt bis 270° nach
dem oberen Totpunkt erzeugbar ist. Vorzugsweise erfolgt die Erzeugung
des nichtthermischen Plasma nachdem die Verbrennung abgeschlossen ist,
so dass das Plasma hauptsächlich
auf bereits gebildete Schadstoffe und hier insbesondere auf Stickoxide
einwirkt und diese abgebaut werden. Aus energetischen Gründen ist
es vorteilhaft, die Zündung
des nichthermischen Plasmas erst dann vorzunehmen wenn hierzu Feldstärken von
weniger als 6 kV/mm erforderlich sind.
-
In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Einkoppelmittelmittel
zur Einkopplung der Mikrowellen in den Brennraum eine Resonanzstruktur.
Dabei ist unter einer Resonanzstruktur eine Anpassungseinheit in
Gestalt eines für
die Mikrowellen resonanten Körpers
zu verstehen, der die Mikrowellen von der Mikrowellenquelle empfängt und
diese dann in den Brennraum abstrahlt. Die Mikrowellen werden somit
indirekt über
diese Resonanzstruktur resonant in den Brennraum eingekoppelt. Die
Resonanzstruktur ist insbesondere resonant hinsichtlich der anzuregenden
Mikrowellenmode an den Brennraum angekoppelt. Dies verbessert die
Impedanzanpassung der Mikrowellenquelle an den Brennraum. weiter
ist die Bereitstellung der vergleichsweise hohen Feldstärken zur
Zündung
des nichtthermischen Plasmas erleichtert, es werden Verluste vermieden und
der Feldaufbau ist verbessert. Außerdem ermöglicht es die Resonanzstruktur
Mikrowellenenergie zu speichern und in sehr kurzer Zeit in das nichtthermische
Plasma einzukoppeln. Die erforderlichen Resonanzbedingungen sind
dabei durch die Frequenz der Mikrowellen und den gegebenen bzw.
geschaffenen Geometrien bestimmt. In diesem Zusammenhang ist es
vorteilhaft, über
ein Tuning der Mikrowellenfrequenz die Resonanzbedingungen zu erreichen
bzw. aufrechtzuerhalten.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich dadurch aus, dass durch die in den Brennraum eingekoppelten
Mikrowellenpulse dort ein nichtthermisches Plasma erzeugt wird.
Vorzugsweise erfolgt die Energieeinkopplung durch die Mikrowellen
im Mikrosekundenbereich, wodurch hauptsächlich die leichten Elektronen
die Energie aufnehmen. Dadurch wird eine Erwärmung des Gases vermieden und
die energiereichen Elektronen können
ihrerseits wieder Moleküle
anregen, ionisieren bzw. dissozieren. Somit werden chemisch sehr
aktive Spezies erzeugt, wel che die Schadstoffbildung im Brennraum
positiv beeinflussen können
oder die bereits gebildeten Schadstoffe abbauen.
-
In
Ausgestaltung des Verfahrens werden die Mikrowellenpulse zeitlich
so eingekoppelt, dass das nichtthermische Plasma in dem Brennraum
während des
Expansionstakts oder während
des Ausschiebetaktes bei einer Kolbenstellung im Bereich von 90° nach dem
oberen Totpunkt bis 270° nach
dem oberen Totpunkt erzeugt wird. Somit werden die Mikrowellenpulse
frühestens
in die ausklingende Verbrennung, vorzugsweise jedoch nach Abschluss
der Verbrennung eingekoppelt, wenn der Brennraumdruck und die Gastemperatur
bereits deutlich abgesunken sind. Dadurch ist die zur Erzeugung
des nichtthermischen Plasmas erforderliche Feldstärke entsprechend
vermindert, was die Erzeugung des nichtthermischen Plasmas erleichtert.
Vorzugsweise wird das nichtthermische Plasma eingekoppelt, wenn
der Brennraumdruck unter 30 bar bzw. die Brennraumtemperatur unter
1500 K abgesunken sind. Besonders bevorzugt werden die Mikrowellenpulse
bei einer Kolbenstellung um den unteren Totpunkt eingekoppelt. Zu
diesem Zeitpunkt ist die durch die Verbrennung verursachte Stickoxidbildung
bereits abgeschlossen und die im nichtthermischen Plasma gebildeten
aktiven Spezies können
gebildete Stickoxide wieder abbauen.
-
In
weiterer Ausgestaltung des Verfahrens werden in dem vom nichtthermischen
Plasma erfassten Gasvolumen freie Elektronen mit einer Energie von
mehr als 9,8 eV erzeugt. Um speziell auf den Stickoxidabbau Einfluss
nehmen zu können,
ist es vorteilhaft, eine möglichst
schmalbandige Energieverteilung mit einem Maximum bei 9,8 eV oder
einer geringfügig
größeren Energie
zu erzeugen. Bei dieser Energie werden Stickstoffbindungen aufgebrochen
und es erfolgt ein durch die entstandenen Stickstoffradikale initiierter
Abbau von Stickoxiden. Durch Erzeugung anderer Energieverteilungen
können
jedoch auch andere chemische Elementarprozesse, wie beispielsweise
die Bildung von Rußpartikeln,
vorzugsweise durch Erzeugung entsprechender Radikale beeinflusst
werden. Dabei lässt
sich die Energieverteilung der freien Elektronen über die
elektrische Feldstärke
und die Teilchendichte im Plasma steuern, was wiederum über die
Steuerung von Pulshöhe und/oder
Pulsdauer erreicht wird.
-
Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden
nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen:
-
1 eine
schematisches Blockbild einer Anordnung von Mikrowellenquelle, Resonanzstruktur und
Brennkammer,
-
2 eine
schematische Darstellung einer vorteilhaften Anordnung zur Einkopplung
von Mikrowellen über
eine Resonanzstruktur in einen Brennraum.
-
In 1 ist
als schematisches Blockbild eine Anordnung aus einer Mikrowellenquelle 3,
einer Resonanzstruktur 2 und eines Brennraums 1 dargestellt.
Von der Mikrowellenquelle 3 abgegebene Mikrowellen werden über einen
Mikrowellenleiter 4 in die Resonanzstruktur 2 eingespeist
und in die Brennkammer 1 einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine
eingekoppelt. Dabei sind die Mikrowellenquelle 3 und die
Resonanzstruktur so ausgelegt, dass in der Brennkammer 1 wenigstens
zeitweise ein nichtthermisches Plasma erzeugt wird. Die Mikrowellenquelle 3 ist
vorzugsweise als Magnetronröhre oder
als Halbleiterbauteil ausgeführt
und in der Lage, kurze Mikrowellenpulse mit hoher Leistungsdichte abzugeben.
Die Dauer der Mikrowellenpulse ist vorzugsweise in einem Bereich
zwischen 0,05 μs
und 10 μs
einstellbar. Vorzugsweise werden Mikrowellenpulse mit einer Dauer
zwischen 0,1 μs
und 0,5 μs
einge stellt. Die Frequenz der Mikrowellen wird vorzugsweise in einem
Bereich von 5 GHz bis 150 GHz gewählt. Vorzugsweise beträgt die Frequenz
etwa 20 GHz bis 50 GHz, besonders bevorzugt etwa 24 GHz. Der genau
einzustellende Frequenzwert richtet sich dabei insbesondere nach
den hauptsächlich
durch die Brennraumgeometrien bestimmten Resonanzbedingungen. Zur
Erzeugung eines nichtthermischen Plasmas sind je nach den im Brennraum 1 vorhandenen Bedingungen
Feldstärken
von etwa 1 kV/mm bis 20 kV/mm notwendig. Dies kann mit einer Mikrowellenquelle 3 mit
einer mittleren Leistung von etwa 10 W bis 100 W erreicht werden.
-
Zur
Erzeugung des nichtthermischen Plasmas im Brennraum 1 ist
es sehr vorteilhaft, die Mikrowellenpulse nicht direkt einzukoppeln,
sondern vielmehr indirekt und resonant über eine Resonanzstruktur 2,
auf deren Ausgestaltung später
eingegangen wird. Diese Einkopplung ist in der 1 schematisch durch
den gestrichelten Pfeil 5 dargestellt. Vorzugsweise werden
die Mikrowellen über
einen als Koaxialkabel bzw. als Hohlleiter ausgebildeten Mikrowellenleiter 4 von
der Mikrowellenquelle 3 an die Resonanzstruktur 2 übertragen.
Diese Resonanzstruktur 2 ermöglicht einerseits die verlustarme
Einkopplung der von der Mikrowellenquelle 3 ankommenden
Mikrowellen und die Speicherung deren Energie bis die Durchbruchfeldstärke zur
Erzeugung des nichtthermischen Plasmas im Brennraum 1 erreicht
ist. Andererseits wird die verlustarme Auskopplung der in der Resonanzstruktur
gespeicherten Energie in Form eines Mikrowellenpulses in den Brennraum 1 ermöglicht.
-
Die
Wirkung des im Brennraum 1 erzeugten Plasmas ist komplex
und beruht im wesentlichen auf der ein Plasma kennzeichnenden Eigenschaft,
dass das Gas in dem vom Plasma erfassten Raum freie Elektronen und
ionisierte Atome bzw. Moleküle
in großer Zahl
aufweist. Die unterschiedlichen Teilchensorten weisen dabei im allgemeinen
unterschiedliche Bewegungsenergieverteilungen auf. Die Energieverteilungen
gehorchen jedoch entsprechend der Natur des nichtthermischen Plasmas
nicht der Boltzmannverteilung. Freie Elektronen ausreichender Energie können wiederum
Atome oder Moleküle
ionisieren und chemische Molekülbindungen
aufbrechen, wobei chemisch sehr aktive Radikale entstehen. Die durch
Radikalbildung, Ionisierung oder Dissoziation angeregten Teilchen
sind in der Lage Reaktionen anzustoßen, die unter normalen Umständen nicht
ablaufen. Dabei kann das Entstehen bestimmter Teilchen über eine
Vielzahl von Parametern gesteuert und beeinflusst werden. Die wichtigsten
Parameter sind die Mikrowellenpulsdauer und die Mikrowellenpulsenergie
bzw. die Mikrowellenpulsleistung. Diese bestimmen insbesondere die
Energie der im nichtthermischen Plasma vorhandenen freien Elektronen und
damit Art und Menge der durch die Elektronen gebildeten Radikale
bzw. ionisierten Teilchen.
-
Da
insbesondere die Bildung von Rußpartikeln,
polyzyklischen Aromaten, Zyanwasserstoff und Kohlenwasserstoffen
und die Chemie von Stickoxiden maßgeblich von Elementarprozessen
unter Beteiligung von Radikalen bestimmt sind, lässt sich durch die Erzeugung
des nichtthermischen Plasmas insbesondere der Ausstoß der genannten
Spezies günstig
beeinflussen.
-
Ohne
Beschränkung
der Allgemeinheit wird nachfolgend insbesondere auf den Abbau von
Stickoxid (NO) abgehoben. Maßgebend
hierfür
ist vorwiegend der erste Elementarreaktionsschritt entsprechend
der Gleichung NO + N → N2 + O.
-
Damit
durch diesen Reaktionsschritt ein signifikanter NO-Abbau erfolgt, ist
es notwendig, N-Radikale in ausreichender Zahl zu erzeugen. Hierfür ist es
entsprechend der Elemetarreaktion N2 + e– → N + N + e– notwendig,
Elektronen e– in
ausreichender Zahl und mit einer Energie von mindestens 9,8 eV zur
Verfügung
zu stellen. Durch Wahl einer geeigneten Pulsdauer und Pulsleistung
des Mikrowellenpulses ist es erstens möglich, das nichtthermische
Plasma im Brennraum 1 der Brennkraftmaschine zu zünden und zweitens
freie Elektronen mit einer Energie von mehr als 9,8 eV im Plasma
zu erzeugen. Als besonders günstig
hat sich hierfür
eine Pulsdauer im Bereich von 0,01 μs bis 3 μs, insbesondere im Bereich von 0,1 μs bis 0,5 μs erwiesen.
Die Energieeinkopplung je Mikrowellenimpuls liegt vorzugsweise im
Bereich von etwa 10 mJ bis etwa 500 mJ. Besonders vorteilhaft im
Hinblick auf den NO-Abbau ist es, die Mikrowellenpulse so zu dimensionieren,
dass die Mehrzahl der erzeugten freien Elektronen eine Energie im
Bereich von 9,8 eV bis 10 eV aufweist.
-
Die
zur Erzeugung des nichtthermischen Plasmas notwendige Energie lässt sich
verringern, wenn zeitlich vor der Zündung des Plasmas im selben
Arbeitsspiel ein geeigneter Hilfsstoff in den Brennraum 1 eingespritzt
wird, welcher zu einer Erhöhung
der Absorptionseigenschaften des im Brennraum 1 vorhandenen
Gasvolumens beiträgt.
Hierfür können vergleichsweise
geringe Mengen Wasser oder Kraftstoff geeignet sein, welche auch
dotiert sein können.
Dadurch kann einerseits die Bildung bestimmter Radikale bei der
nachfolgenden Erzeugung des nichtthermischen Plasmas im Sinne eines
gewünschten
Reaktionsmechanismus beeinflusst werden. Andererseits können die
Resonanz- bzw. Absorptionsbedingungen im Brennraum 1 derart
beeinflusst werden, dass die zur Erzeugung des nichtthermischen
Plasmas erforderliche Pulsenergie abgesenkt wird. Beispielsweise
kann durch die Einspritzung von Wasser im Mikroliterbereich oder
weniger die Bildung von OH-Radikalen im Plasma erhöht werden.
Auf diese Weise lässt
sich die Schadstoffbildung bzw. der Schadstoffabbau günstig beeinflussen.
-
Zur
Erleichterung der Plasmazündung
und für
eine Beeinflussung der Wirkung des nichtthermischen Plasmas ist
es außerdem
vorteilhaft, ein in der Brennkammer 1 wirksames Magnetfeld
zu erzeugen. Das Magnetfeld wird vorzugsweise an die zu erregende
Plasmaresonanzfrequenz angepasst. Vorzugsweise wird das Magnet-feld
hinsichtlich Stärke und
Orientierung so eingestellt, dass eine Plasmaresonanz derart erzielt
wird, dass die Elektronenenergieverteilung ein Maximum bei 9,8 eV
aufweist. Dadurch wird die Effizienz der Stickstoffradikalbildung und
damit der Stickoxidabbau verbessert. Durch das Magnetfeld kann insbesondere
die resonante Mikrowellenabsorption im Brennraum 1 erhöht werden, wodurch
die Einkopplung erleichtert und die Effizienz verbessert ist. Wird
die magnetische Induktion, gemessen in Tesla als "B" bezeichnet und die Mikrowellenfrequenz,
gemessen in GHz, mit "F", so ist es besonders
vorteilhaft, wenn diese so gewählt
werden, dass die Bedingung F = 28·Berfüllt ist.
Dadurch wird eine Mikrowellenabsorption nach dem Mechanismus der
Electron Cyclotron Resonanz Heizung (ECRH) ermöglicht. Zur Erzeugung des Magnetfelds
kann beispielsweise ein Permanentmagnet oder eine Spule vorgesehen
sein. Vorzugsweise sind diese so angeordnet, dass sich ein Magnetfeld
in Richtung der Mittellängsachse
des Zylinders im Brennraum 1 ausbildet.
-
Die
Erzeugung des nichtthermischen Plasmas erfolgt vorzugsweise im Bereich
des unteren Totpunkts des Kolbens nach dem Verbrennungsvorgang.
Zu diesem Zeitpunkt sind die Gastempera tur und der Brennraumdruck
soweit abgesunken, dass sich das Plasma mit vergleichsweise geringen
Zündenergien
zünden
lässt.
Die zeitliche Synchronisation lässt
sich in einfacher Weise über
einen Kurbelwinkelsensor erreichen. Es ist jedoch ebenfalls vorteilhaft,
die zeitliche Synchronisation mittels einer in den Brennraum eingekoppelten
zweiten Mikrowelle vorzunehmen, wobei ausgenutzt wird, dass die
Resonanzbedingungen von der Geometrien des freien Zylindervolumens
und damit von der Kolbenstellung abhängen. Die zweiten Mikrowellen
können
dabei kontinuierlich oder diskontinuierlich eingekoppelt werden und
weisen vorzugsweise eine von den Mikrowellenpulsen verschiedenen
Frequenz auf. Die Frequenz dieser zweiten Mikrowellen wird vorzugsweise
so gewählt,
dass bei der entsprechenden Kolbenstellung die Resonanzbedingungen
erfüllt
sind. Somit kann beispielsweise über
die Reflexion der eingekoppelten zweiten Mikrowelle in einfacher
weise die Kolbenstellung detektiert werden und die Bereitstellung
des Mikrowellenpulses auch bei unterschiedlichen Drehzahlen getriggert
werden.
-
Die
zweiten Mikrowellen können über die
Resonanzstruktur 2 wieder ausgekoppelt werden. Infolge
der sich zeitlich ändernden
Zusammensetzung des Gases im Brennraum 1 und/oder der Temperatur-
und Druckverhältnisse
im Brennraum 1 ändern sich
auch die Resonanz- bzw. Absorptionsbedingungen. Infolgedessen verursachen
die eingekoppelten zweiten Mikrowellen Antwortsignale, die beispielsweise
hinsichtlich Frequenz, Betrag oder Phase analysiert werden können, wodurch
wichtige Rückschlüsse auf
die Bedingungen im Brennraum gezogen werden können. Mittels der zweiten eingekoppelten
Mikrowelle lässt
sich daher alternativ oder zusätzlich
eine spektroskopische Analyse der im Brennraum 1 vorhandenen
Spezies durchführen.
Mit Hilfe der dabei erhaltenen Informationen können die Plasmaprozesse beispielsweise
durch Anpassung der Mikrowellen pulse gesteuert werden. Ebenso kann auf
den Ablauf des Verbrennungsprozesses beispielsweise durch Anpassung
des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts oder des Zündzeitpunkts Einfluss genommen
werden. Beispielsweise kann die Einkopplung der Mikrowellenimpulse
mit Blick auf eine möglichst geringe
Stickoxidkonzentration oder einen optimalen Stickoxidabbau gesteuert
oder geregelt werden. Hierfür
ist es vorteilhaft, die Frequenz der zweiten Mikrowellen auf die
Absorptionslinien der zu erfassenden Spezies abzustimmen. Die Stärke der
Absorption bei der jeweiligen Mikrowellenfrequenz kann dann hinsichtlich
der Konzentration der betreffenden Spezies ausgewertet werden. Zur
Durchführung
der Mikrowellenspektroskopie kann auch ein Mikrowellensignal über eine
separate Vorrichtung aus dem Brennraum 1 ausgekoppelt werden.
Es kann jedoch gleichfalls ein Antwortsignal über die Resonanzstruktur 2 und
den Mikrowellenleiter 4 ausgekoppelt und ausgewertet werden.
-
Nachfolgend
wird unter Bezug auf 2 auf die resonante Einkopplung
der Mikrowellenpulse in den Brennraum 1 der Brennkraftmaschine
eingegangen. In 2 ist schematisch eine vorteilhafte
Ausführungsform
einer Resonanzstruktur 2 in Verbindung mit einem Brennraum 1 und
dem zugehörigen Zylinderkopf 12 dargestellt.
Die Resonanzstruktur 2 besteht im wesentlichen aus einem
Körper ähnlich einer
Zündkerze
und weist in ihrem Inneren ein Dielektrikum 9 auf, in welchem
ein Einkoppelstift 10 und ein Auskoppelstift 11 gleichstrommäßig voneinander
getrennt eingebettet sind. Der Auskoppelstift 11 dient hierbei
als Antenne zur Abstrahlung der Mikrowellen in den Brennraum 1 und
ragt zu diesem Zweck im eingebauten Zustand der Resonanzstruktur 2 zu
einem Teil aus dem Dielektrikum frei in den Brennraum 1.
Die Resonanzstruktur 2 ist an den als Koaxialkabel ausgeführten Mikrowellenleiter 4 angeschlossen
und empfängt über diesen
die von der Mikrowel lenquelle 3 abgegebenen Mikrowellen.
Dabei ist der Innenleiter 6 des Mikrowellenleiters 4 an
den Einkoppelstift 10 angeschlossen. Der Außenleiter 7 ist
an die Fassung 8 der Resonanzstruktur angeschlossen, so
dass ein ohmscher Kontakt mit dem Zylinderkopf 12 gegeben ist.
Die Resonanzstruktur 2 ist zweckmäßigerweise so beschaffen, dass
sie gasdicht und fest in den Zylinderkopf eingebaut werden kann.
Die Anordnung von Einkoppelstift 10 und Auskoppelstift 11 sowie
die Geometrie der gesamten Resonanzstruktur 2 ist so ausgelegt,
dass sich Resonanz bezüglich
der eingespeisten Mikrowellen ergibt, so dass diese mit hohem Wirkungsgrad
in die Resonanzstruktur 2 eingekoppelt und von dort weiter
in den Brennraum 1 ausgekoppelt werden können. Um
Verluste klein zu halten, ist es zweckmäßig, das Dielektrikum 9 aus
hochreiner Aluminiumoxid- oder
Siliziumnitridkeramik auszubilden. Besonders bevorzugt ist Safir.
Es versteht sich, dass der Einkoppelstift 10 und insbesondere
der Auskoppelstift 11 aus einem haltbaren und beständigen Material
gefertigt sind. Bevorzugt ist hierfür ein wolframhaltiges Material.
Vorzugsweise wird bei der Auskopplung der Mikrowellen in den Brennraum 1 von
der Resonanzstruktur 2 die Rundhohlleitermode TM 0,1,0
bzw. TE 0,1,0 angeregt.
-
Die
resonante Ankopplung bzw. Einkopplung der Mikrowellen an bzw. in
den Brennraum 1 über
die Resonanzstruktur 2 hat den Vorteil, dass die Energie, welche
zum Aufbau der für
die Zündung
des Plasmas im Brennraum 1 erforderlichen hohen Feldstärken notwendig
ist, effizient in den Brennraum 1 eingebracht werden kann.
Anders ausgedrückt,
wird durch die resonante Ankopplung der Mikrowellen an den Brennraum 1 die
in dem Brennraum 1 vorhandene Energie erhöht. Die
Erhöhung
ist dabei um den Faktor der Güte
der Resonanz gegeben. Die einzuspeisende Leistung zur Anregung der
sich im Brennraum ausbreitenden Mikrowellenmoden wird deshalb um den
Faktor der Güte
der Resonanzstruktur vermindert. Außerdem werden störende Reflexionen
vermindert.