DE19621531A1

DE19621531A1 - Method of Air induction handling method for internal combustion engine

Info

Publication number: DE19621531A1
Application number: DE1996121531
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dr Wirbeleit; Juergen Dr Steinwandel; Joerg Dr Hoeschele; Theodor Staneff; Rainer Willneff
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1996-05-29
Publication date: 1997-12-04

Abstract

The method involves converting at least part of the induction air into a high pressure plasma before it enters the combustion chamber to form combustible components. The high pressure plasma is formed (1) by a high pressure discharge of the AC/DC corona type, or by using the AC type with dielectric barriers. Alternatively, a high frequency electromagnetic field can be used, especially a microwave field in the frequency range 0.95 TO 25 GHz, and preferably at a frequency of about 2.45 GHz.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbrennungsfördernden Ansaugluftbehandlung für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor.The invention relates to a method and a Device for the combustion-promoting intake air treatment for an internal combustion engine, especially a diesel engine.

Dieselmotoren zeichnen sich im Vergleich zu Ottomotoren durch einen deutlich besseren effektiven Wirkungsgrad aus. Jedoch wird häufig die Laufkultur von Dieselmotoren besonders bei noch kaltem Motor als unbefriedigend empfunden, was durch Zünd verzugszeiten infolge unzureichender Verbrennungsaktivierung hervorgerufen wird. Vor- und Wirbelkammermaschinen haben z. B. schon bei vergleichweise moderaten Umgebungstemperaturen erhebliche Startprobleme und besitzen daher üblicherweise eine Starthilfe. Die gebräuchlichsten Starthilfemethoden sind eine elektrische oder kraftstoffbeheizte Vorwärmung der Ansaugluft, eine Blockheizung zur Kühlwasser-/Ölkreislauferwärmung, elektrische oder katalytische Glühkerzen im Brennraum, eine Kraftstoffeinspritzung in die Saugleitung oder den Brennraum während des Ansaugtaktes, eine Auslaßzeitbegrenzung, z. B. durch frühzeitiges Schließen des Auslaßventils, zwecks Nutzung der Kompressionswärme für den nächsten Zyklus, die Verwendung chemischer, der Ansaugluft beigemischter Verbrennungspromotoren, wie Diethylether oder Nitromethan, sowie die Verwendung von Funkenentladungen mittels Zündkerzen im Brennraum.Diesel engines stand out in comparison to petrol engines a significantly better effective efficiency. However often the running culture of diesel engines, especially with still cold engine perceived as unsatisfactory, what by Zünd delay times due to insufficient combustion activation is caused. Vor- and vortex chamber machines have z. B. even at comparatively moderate ambient temperatures considerable starting problems and therefore usually have one Jump start. The most common jump start methods are one electrical or fuel-heated preheating of the intake air, a block heater for cooling water / oil circuit heating, electrical or catalytic glow plugs in the combustion chamber, one Fuel injection into the suction line or the combustion chamber during the intake stroke, an exhaust time limit, e.g. B. by early closing of the exhaust valve in order to use the Compression heat for the next cycle, the use chemical combustion promoters mixed with the intake air, such as diethyl ether or nitromethane, and the use of Spark discharges using spark plugs in the combustion chamber.

Bei den besonders verbrauchsgünstigen Dieselmotoren mit Direkt einspritzung sind zwar die Kaltstartprobleme nicht so gravierend wie bei Vor- oder Wirbelkammermaschinen, jedoch ist die Laufkultur dieser Motoren zum Teil selbst bei warmgefahrener Maschine noch immer unbefriedigend. Es besteht daher Bedarf an verbrennungsfördernden Maßnahmen auch bei betriebswarmem Motor.In the particularly fuel-efficient diesel engines with direct Injection, the cold start problems are not that serious like in front or vortex chamber machines, but the Running culture of these engines partly even when warmed up Machine still unsatisfactory. There is therefore a need for measures to promote combustion even when the engine is warm.

Zudem besteht bei allen Dieselmotoren grundsätzlich das Interesse, den Einspritzzeitpunkt näher an den oberen Totpunkt zu legen, um höhere effektive Wirkungsgrade und einen geringeren Schadstoffausstoß zu erzielen. Um dies realisieren zu können, muß jeglicher Zündverzug weitestgehend ausgeschlossen werden. Zu diesem Zweck wurde bereits eine Erhöhung des Sauerstoffanteils der Verbrennungsluft vorgeschlagen, beispielsweise durch einen vorgeschalteten Membrantrennprozeß, wie in der Veröffentlichung G. R. Rigby und H. C. Watson, J. Membrane Sci. 87, 1994 ange geben. Es gibt bereits im Rahmen des derzeitigen Verständnisses der Oxidation von Kohlenwasserstoffen plausible Erklärungen, warum ein erhöhter Sauerstoffgehalt in der Verbrennungsluft in Richtung Verkürzung der Induktionsperiode der Verbrennung, d. h. in Richtung Zündverzugverringerung, wirkt. Diese Wirkung ist auch experimentell bestätigt, siehe z. B. die Veröffentlichung G. A. Karim und G. Ward, SAE Technical Paper 680767.In addition, this is basically the case with all diesel engines Interest, the injection timing closer to top dead center to lay higher effective efficiencies and lower ones To achieve pollutant emissions. To do this, Any ignition delay must be largely excluded. To For this purpose, an increase in the oxygen content has already been achieved the combustion air proposed, for example by a upstream membrane separation process, as in the publication G.R. Rigby and H.C. Watson, J. Membrane Sci. 87, 1994 give. There is already within the current understanding explanations plausible for the oxidation of hydrocarbons, why an increased oxygen content in the combustion air in Direction shortening the induction period of the combustion, d. H. in the direction of reducing ignition delay. This effect is also confirmed experimentally, see e.g. B. the publication G. A. Karim and G. Ward, SAE Technical Paper 680767.

Alternativ zur Erhöhung des O₂-Partialdrucks kommt in Betracht, die Verbrennungs-Induktionszeit dadurch zu verkürzen, daß mit dem Ansaugluft reaktive Partikel in den Brennraum eingebracht werden. Handelt es sich bei diesen Partikeln z. B. um Spezies wie O-Atome, O₃-Moleküle, OH-Radikale oder aktiven Stickstoff, d. h. N-Atome oder angeregte, metastabile N₂-Moleküle, oder um einfach positiv geladene Sauerstoff- oder Stickstoff-Molekülionen, so können diese eine Radikalkettenreaktion der Kohlenwasserstoff moleküle des Kraftstoffs einleiten, wodurch die Verbrennungs-Induktionszeit signifikant verkürzt werden kann.As an alternative to increasing the O₂ partial pressure, to shorten the combustion induction time by using reactive air particles are introduced into the combustion chamber will. Are these particles such. B. species like O atoms, O₃ molecules, OH radicals or active nitrogen, d. H. N atoms or excited, metastable N₂ molecules, or simply positively charged oxygen or nitrogen molecular ions, see above this can be a radical chain reaction of the hydrocarbon Initiate molecules of the fuel, reducing the combustion induction time can be significantly shortened.

In der Offenlegungsschrift WP 90/04100 ist eine Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraft maschine offenbart, bei der Luft durch Injektorwirkung der Einspritzstrahlen aus dem Brennraum angesaugt und in die Randzonen der Einspritzstrahlen eingesaugt wird und bei der diese aus dem Brennraum angesaugte Luft zusammen mit den Einspritzstrahlen durch eine jeweilige Plasmareaktoranordnung hindurchgeleitet wird. Damit soll eine Lufterhitzung auf über 1200°C erreicht werden, um dadurch möglichst spät einspritzen zu können.In the publication WP 90/04100 a device for Injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine disclosed in the air by the injector action of the Injection jets sucked out of the combustion chamber and into the Edge zones of the injection jets is sucked in and at the this air drawn in from the combustion chamber together with the Injection jets through a respective plasma reactor arrangement is passed through. This is said to cause air heating to over 1200 ° C to be injected as late as possible can.

In der Offenlegungsschrift TW 241325 A ist eine Vorrichtung zur Erhöhung der Verbrennungseffizienz eines Motors angegeben, die eine Stickstoff-Sauerstoff-Trenneinrichtung und eine Ionisationskatalysatoreinrichtung beinhaltet. In letzterer erfolgt eine stille Hochspannungs-Spitzenentladung, um einen Teil des Sauerstoffs in O₃ umzuwandeln und dadurch die Ansaugluft zu ionisieren sowie mit O₃ anzureichern.In the published specification TW 241325 A a device for Increase in the combustion efficiency of an engine specified that a nitrogen-oxygen separator and one Includes ionization catalyst device. In the latter there is a silent high voltage peak discharge to one Part of the oxygen to convert into O₃ and thereby the intake air to ionize and enrich with O₃.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zugrunde, mit denen sich die Ansaugluft für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor, so behandelt läßt, daß sich ein möglichst optimaler Verbrennungsvorgang im Brennraum ergibt und insbesondere die Verbrennungs-Induktionszeit möglichst klein gehalten werden kann.The invention is a technical problem of providing of a method and a device with which the intake air for an internal combustion engine, especially one Diesel engine, treated so that it is as optimal as possible Combustion process in the combustion chamber and especially the Combustion induction time should be kept as short as possible can.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Dabei wird die Ansaugluft für den Motor wenigstens teilweise, d. h. im Vollstrom oder partiell beispielsweise mittels einer regelbaren Bypaßstrecke, vor Eintritt in den Brennraum, vorzugsweise unmittelbar vor dem jeweiligen Einlaßventil, in einen Hochdruckplasmazu stand überführt. Es zeigt sich, daß dadurch plasmachemische Gasreaktionen stattfinden, mit denen eine Aktivierung der Molekülbestandteile der Ansaugluft in der Gasphase erzielt wird. Der Plasmaprozeß wird dem jeweiligen Motordruckniveau angepaßt, das bei Saugmotoren bei ca. 1 bar, bei aufgeladenen Motoren bis etwa 3 bar beträgt. Bei aufgeladenen Motoren erfolgt die Positionierung der Plasmareaktoranordnung vorzugsweise hinter der Verdichterstufe, die z. B. von einem zwangsgetriebenen, mechanischen Lader oder einem Abgasturbolader gebildet ist. Es zeigt sich, daß sowohl kalte als auch heiße, mikrowellen induzierte Plasmen zur Erzeugung reaktiver Partikel für die Verbrennungsoptimierung eingesetzt werden können.The invention solves this problem by providing a Method with the features of claim 1 and by a Device with the features of claim 5. The Intake air for the engine at least partially, d. H. in full flow or partially, for example by means of an adjustable bypass section, before entering the combustion chamber, preferably immediately in front of the respective inlet valve, in a high pressure plasma got convicted. It turns out that this results in plasma chemical Gas reactions take place with which an activation of the Molecular components of the intake air is achieved in the gas phase. The plasma process is adapted to the respective engine pressure level, that for naturally aspirated engines at approx. 1 bar, for supercharged engines up to is about 3 bar. With supercharged engines the Positioning of the plasma reactor arrangement preferably behind the compressor stage, the z. B. from a positively driven, mechanical charger or an exhaust gas turbocharger is formed. It shows that both cold and hot, microwaves induced plasmas to generate reactive particles for the Combustion optimization can be used.

Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Verfahren wird das Hochdruckplasma durch eine Hochdruckentladung vom AC/DC-Corona-Typ oder vom AC-Typ mit dielektrischer Barriere erzeugt. Zur Durchführung dieses Verfahrens eignet sich eine gemäß Anspruch 6 bzw. Anspruch 7 weitergebildete Vorrichtung. Entladungen dieses Typs sind sogenannte kalte Entladungen, bei denen die im Plasma umgesetzte elektrische Energie vergleichsweise heiße, freie Elektronen erzeugt. Die mittlere Elektronenenergie kann dabei Werte bis ca. 10 eV annehmen. Diese Plasmen sind folglich im wesentlichen elektronenstoßkontrolliert mit der Konsequenz, daß sich die gaskinetische Temperatur nur unwesentlich erhöht, jedoch ein vergleichsweise hoher Ionisationsgrad des Plasmas vorliegt. Die Ozonkonzentrationen sind infolge der nicht thermischen Natur dieser Plasmen vergleichsweise hoch. Darüber hinaus treten auch vergleichsweise hohe OH-Radikalkonzentra tionen als Resultat einer Wasserspaltung auf. Freie Atome des Luftsauerstoffs und insbesondere des Luftstickstoffs spielen in kalten Plasmaentladungen eine untergeordnete Rolle. Kalte Plasmen sind thermodynamisch durch extreme Nichtgleichgewichts zustände bezüglich kinetischer Energien freier Ladungsträger und innerer molekularer Anregungen charakterisiert. Dies gilt jedoch erfahrungsgemäß nicht hinsichtlich der Stickoxidproduktion. Diese ist primär über die gaskinetische Temperatur und somit thermodynamisch kontrolliert. Bei den vergleichsweise geringen gaskinetischen Temperaturerhöhungen von ca. 50 K oder weniger spielt somit die Stickoxidproduktion keine merkliche Rolle.In a further developed method according to claim 2 High pressure plasma through a high pressure discharge of the AC / DC corona type or AC-type with a dielectric barrier. For Carrying out this method is suitable according to claim 6 or claim 7 further developed device. Discharges this Type are so-called cold discharges, in which those in the plasma implemented electrical energy comparatively hot, free Generates electrons. The mean electron energy can Accept values up to approx. 10 eV. These plasmas are therefore in the essentially electron impact controlled with the consequence that the gas kinetic temperature increases only insignificantly, however a comparatively high degree of ionization of the plasma is present. As a result, the ozone concentrations are not thermal nature of these plasmas is comparatively high. About that there are also comparatively high OH radical concentrations ions as a result of water splitting. Free atoms of the Atmospheric oxygen and especially atmospheric nitrogen play in cold plasma discharges play a subordinate role. Cold Plasmas are thermodynamic due to extreme non-equilibrium states regarding kinetic energies of free charge carriers and characterized internal molecular excitations. However, this applies Experience has shown that not with regard to nitrogen oxide production. This is primarily about the gas kinetic temperature and thus thermodynamically controlled. With the comparatively small gas kinetic temperature increases of approximately 50 K or less nitrogen oxide production therefore plays no noticeable role.

Bei einem nach Anspruch 3 weitergebildeten Verfahren wird das Hochdruckplasma durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld, insbesondere ein Mikrowellenfeld mit geeigneter Frequenz, erzeugt. Zur Durchführung dieses Verfahrens eignet sich eine gemäß Anspruch 8 weitergebildete Vorrichtung. Der Frequenz bereich für die Mikrowellenentladungen liegt zweckmäßigerweise zwischen 0,95 GHz und 25 GHz, vorzugsweise bei der Standard frequenz von 2,45 GHz. Mikrowellenentladungen stellen sogenannte heiße Entladungen dar, für welche die Verwendung einer Bypaß-Anordnung zweckmäßig ist. Mikrowellenplasmen zeichnen sich durch besonders hohe Radikalkonzentrationen aus. Dabei werden besonders hohe Konzentrationen von OH-Radikalen und O-Atomen, aber auch von N-Atomen erhalten. Darüber hinaus treten hohe Konzentrationen des metastabilen Stickstoffs N₂ auf, das sogenannte Vegard-Kaplan-System bei einer Anregungsenergie von 6 eV. Diese Plasmen sind überwiegend thermischer Natur und gemäß lokalem thermodynamischen Gleichgewicht beschreibbar. Damit ist auch die Produktion von Stickoxiden nicht mehr vernachlässigbar. Es können jedoch Betriebszustände eingestellt werden, bei denen die Stickoxidproduktion vergleichsweise gering, d. h. unter 50 ppm, bleibt, wobei dies für den hier vorliegenden vormotorischen Prozeß ohnehin nicht von Bedeutung ist.In a further developed method according to claim 3 High pressure plasma through a high frequency electromagnetic Field, in particular a microwave field with a suitable frequency, generated. A method is suitable for carrying out this method Device further developed according to claim 8. The frequency The range for the microwave discharges is expedient between 0.95 GHz and 25 GHz, preferably for the standard frequency of 2.45 GHz. Microwave discharges represent so-called hot discharges, for which the use of a bypass arrangement is appropriate. Microwave plasmas are characterized particularly high radical concentrations. In doing so particularly high concentrations of OH radicals and O atoms, but also obtained from N atoms. They also occur high Concentrations of the metastable nitrogen N₂ that the so-called Vegard-Kaplan system with an excitation energy of 6 eV. These plasmas are predominantly thermal in nature and in accordance with local thermodynamic equilibrium. So that is the production of nitrogen oxides is no longer negligible. However, operating states can be set in which nitrogen oxide production is comparatively low, d. H. under 50 ppm remains, this being for the present one pre-motor process is not important anyway.

Bei einem nach Anspruch 4 weitergebildeten Verfahren wird der Prozeßablauf der Hochdruckplasmaerzeugung über die Messung der Ansaugluftmenge und der Kraftstoffeinspritzmenge für den Verbrennungsmotor gesteuert und damit an die jeweilige Motorlastsituation angepaßt. Bei den kalten Entladungen vom AC/DC-Corona-Typ bzw. vom AC-Typ mit dielektrischer Barriere kann die motorlastabhängige Leistungsregelung der Plasma erzeugung über die Stromstärke der Entladung vorgenommen werden. Bei den heißen Entladungen in Form von Mikrowellen-Entladungen kann die motorlastabhängige Leistungsregelung direkt über die Hochfrequenz-Abstrahlung mittels entsprechender Regelung des Kathoden-Emitterstroms eines Mikrowellen-Magnetrons oder durch Verstimmung des Schwingkreises mittels elektromechanischer Tuner in einem Hohlleiter erfolgen.In a further developed according to claim 4, the Process flow of high pressure plasma generation via the measurement of Intake air quantity and the fuel injection quantity for the Internal combustion engine controlled and thus to the respective Engine load situation adjusted. With the cold discharges from AC / DC corona type or AC type with dielectric barrier can the power load-dependent power control of the plasma Generation can be made via the current strength of the discharge. With hot discharges in the form of microwave discharges can the engine load-dependent power control directly via the High-frequency radiation by means of appropriate regulation of the Cathode emitter current of a microwave magnetron or through Detuning of the resonant circuit by means of electromechanical tuners done in a waveguide.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen: Preferred embodiments of the invention are in the Drawings are shown and are described below. Here show:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Dieselmotors mit einer Plasmareaktoranordnung zur Überführung der Ansaugluft in einen Hochdruckplasmazustand, Fig. 1 is a schematic view of a diesel engine with a plasma reactor arrangement for the transfer of the intake air in a high pressure plasma state,

Fig. 2 eine schematische, ausschnittweise Ansicht eines für die Plasmareaktoranordnung von Fig. 1 geeigneten AC/DC-Corona-Plasmareaktors zur Hochdruckplasmaerzeugung, Fig. 2 is a schematic, sectional view of a plasma reactor suitable for the arrangement of Fig. 1 AC / DC corona plasma reactor for generating high-pressure plasma,

Fig. 3 eine schematische, ausschnittweise Ansicht eines für die Plasmareaktoranordnung von Fig. 1 geeigneten Plasmareaktors vom AC-Typ mit dielektrischer Barriere zur Hochdruckplasmaerzeugung und Fig. 3 is a schematic, sectional view of a plasma reactor suitable for the arrangement of FIG. 1 plasma reactor AC-type dielectric barrier to the high pressure plasma generation and

Fig. 4 eine schematische, ausschnittweise Ansicht eines für die Plasmareaktoranordnung von Fig. 1 geeigneten Mikrowellen-Plasmareaktors zur Hochdruckplasmaerzeugung. FIG. 4 shows a schematic, partial view of a microwave plasma reactor suitable for the plasma reactor arrangement of FIG. 1 for generating high pressure plasma.

Fig. 1 zeigt einen Dieselmotor mit einer Vorrichtung zur verbrennungsfördernden Ansaugluftbehandlung in Form einer Plasmareaktoranordnung. Die Plasmareaktoranordnung besteht aus mehreren Plasmareaktoreinheiten (1), von denen jeweils eine in einem von mehreren Ansaugluftkanälen (2) vorgesehen ist, die von einem Ansaugluftverteilerrohr (3) in die einzelnen Brennräume des mehrzylindrigen Dieselmotors führen. Die Plasmareaktor einheiten (1) sind dabei jeweils direkt vor dem Eintritt in den Brennraum in den zugehörigen Ansaugluftkanal (2) eingebracht und an eine gemeinsame Hochspannungsquelle (4) angeschlossen. Im Beispiel von Fig. 1 ist eine Vollstromvariante dargestellt, bei der die gesamte, in die Brennräume der Zylinder des Dieselmotors gelangende Ansaugluft durch die von den einzelnen Plasmareaktor einheiten (1) erzeugten Plasmen hindurchgeleitet wird. Alter nativ dazu kann vorgesehen sein, nur einen Teil der Ansaugluft in Form einer drosselbaren Bypaßströmung durch die von den dann in der Bypaßleitungsstrecke angeordneten Plasmareaktoreinheiten hindurchzuleiten. Für die Plasmareaktoreinheiten (1) kommen alle Plasmareaktortypen in Betracht, mit denen sich die hindurchgeleitete Ansaugluft in einen Hochdruckplasmazustand überführen läßt. Drei verwendbare Reaktortypen, auf deren Aufbau und Funktionsweise im folgenden näher eingegangen wird, sind in den Fig. 2 bis 4 dargestellt. Fig. 1 shows a diesel engine with a device for combustion-promoting Ansaugluftbehandlung in the form of a plasma reactor assembly. The plasma reactor arrangement consists of several plasma reactor units ( 1 ), one of which is provided in one of several intake air ducts ( 2 ) which lead from an intake air distributor pipe ( 3 ) into the individual combustion chambers of the multi-cylinder diesel engine. The plasma reactor units ( 1 ) are each introduced directly into the associated intake air duct ( 2 ) before entering the combustion chamber and connected to a common high-voltage source ( 4 ). In the example of Fig. 1, a full flow variant is shown, in which the entire intake air entering the combustion chambers of the cylinders of the diesel engine is passed through the plasmas generated by the individual plasma reactor units ( 1 ). Alternatively, it can be provided that only part of the intake air in the form of a throttled bypass flow is passed through the plasma reactor units then arranged in the bypass line section. For the plasma reactor units ( 1 ), all types of plasma reactors can be considered with which the intake air passed through can be converted into a high-pressure plasma state. Three usable reactor types, the structure and mode of operation of which are discussed in more detail below, are shown in FIGS. 2 to 4.

In Fig. 2 ist als eine mögliche Reaktoreinheit für den Motor von Fig. 1 eine solche dargestellt, mit der sich ein Hochdruckplasma nach der AC/DC-Corona-Methode erzeugen läßt. Diese Plasma reaktoreinheit umfaßt eine mittig im betreffenden Abschnitt (5) eines zugehörigen Ansaugluftrohres eingebrachte Zentralelektrode (6), an der Sprühspitzen (7) zur Erhöhung der elektrischen Feldstärke an der Elektrodenoberfläche angeordnet sind, um das Herauslösen der Elektronen aus der Zentralelektrode (6) zu erleichtern. Die Zentralelektrode (6) ist an den einen Pol eines Leistungsteils (8), d. h. einer Spannungsversorgung, angeschlos sen, an deren anderen Spannungspol der der Zentralelektrode (6) gegenüberliegende Wandungsabschnitt (5) des zugehörigen Ansaug luftrohres angeschlossen ist, der als Gegenelektrode zur Zentralelektrode (6) fungiert und zu diesem Zweck elektrisch leitfähig ausgebildet ist. Mit dieser Plasmareaktoreinheit läßt sich ein Hochdruckplasma in dem zwischen der Zentralelektrode (6) und dem diese umgebenden Ansaugluftrohr-Wandungsabschnitt (5) gebildeten Ringspalt als Plasmazone (9) des Ansaugluftkanals kurz vor Einmündung in den betreffenden Brennraum erzeugen. FIG. 2 shows a possible reactor unit for the motor of FIG. 1 with which a high-pressure plasma can be generated using the AC / DC corona method. This plasma reactor unit comprises a central electrode ( 6 ) introduced centrally in the relevant section ( 5 ) of an associated intake air tube, on which spray tips ( 7 ) are arranged to increase the electric field strength on the electrode surface in order to release the electrons from the central electrode ( 6 ) facilitate. The central electrode ( 6 ) is connected to one pole of a power section ( 8 ), ie a voltage supply, at the other voltage pole of which the central electrode ( 6 ) opposite wall section ( 5 ) of the associated intake air tube is connected, which acts as a counter electrode to the central electrode ( 6 ) functions and is designed to be electrically conductive for this purpose. With this plasma reactor unit, a high-pressure plasma can be generated in the annular gap formed between the central electrode ( 6 ) and the surrounding intake air pipe wall section ( 5 ) as a plasma zone ( 9 ) of the intake air duct shortly before it opens into the combustion chamber in question.

Die Plasmareaktoreinheit von Fig. 2 kann wahlweise im AC-Corona- Betrieb oder im DC-Corona-Betrieb verwendet werden. Beispielhaft können im AC-Corona-Betrieb als Verfahrensparameter zur Bereit stellung des gewünschten Hochdruckplasmas zwecks Erzeugung ausreichender reaktiver Partikel in der durch die Plasmazone (9) hindurchgeleiteten Ansaugluft eine hochfrequente Wechselspannung mit einer Frequenz zwischen etwa 10 kHz bis etwa 100 kHz und eine Anstiegsflankendauer von typischerweise einigen Nanosekunden gewählt werden. Im DC-Corona-Betrieb kann für eine analoge Ansaugluftbehandlung eine Gleichspannungsversorgung mit negativer Polung der Zentralelektrode (6) und positiver Polung des Ansaugluftrohr-Wandungsabschnitts (5) gewählt werden, wobei die Spannung typischerweise auf Werte zwischen 6 kV bis 10 kV und die Stromstärke auf einige Milliampere eingestellt werden.The plasma reactor unit of FIG. 2 can be used either in AC corona mode or in DC corona mode. For example, in AC corona operation, a high-frequency AC voltage with a frequency between about 10 kHz to about 100 kHz and a rising edge duration of typically can be used as process parameters for providing the desired high-pressure plasma for the purpose of generating sufficient reactive particles in the intake air passed through the plasma zone ( 9 ) a few nanoseconds. In DC corona operation, a DC voltage supply with negative polarity of the central electrode ( 6 ) and positive polarity of the intake air pipe wall section ( 5 ) can be selected for an analog intake air treatment, the voltage typically being between 6 kV and 10 kV and the current strength a few milliamps.

In Fig. 3 ist eine Plasmareaktoreinheit gezeigt, mit der sich ein Hochdruckplasma nach der AC-Methode mit dielektrischer Barriere erzeugen läßt, um dadurch die gewünschte Bereitstellung reaktiver Partikel in der hindurchgeleiteten Ansaugluft zu erzielen. Analog zur Reaktoreinheit von Fig. 2 ist auch bei dieser Reaktoreinheit eine Zentralelektrode (10) mit Sprüh spitzen (12) mittig in einen umgebenden Ansaugluftrohr-Wandungsabschnitt (11) eingebracht. Der Ansaugluftrohr-Wandungsabschnitt (11) ist in diesem Fall jedoch aus einem dielektrischen Material, wie Glas, Quarz oder Keramik, gefertigt und außen von einem metallischen Leiter (13) netzförmig umgeben, welcher die Gegenelektrode zur Zentralelektrode (10) bildet. Alternativ zu diesem metallischen Leiternetz (13) kann die Gegenelektrode auch als zusätzliche äußere Beschichtung des Ansaugluftrohr-Wandungsabschnitts (11) realisiert sein. Beide Elektroden (10, 13) sind wiederum an ein spannungsversorgendes Leistungsteil (21) angeschlossen. Aufgrund des dielektrischen Wandungsabschnitts (11) zwischen den beiden Elektroden (10, 13) ist ein Plasmadurchbruch ausgeschlossen, so daß höhere Spannungen angelegt werden können als bei der Plasmareaktor einheit von Fig. 2. Ansonsten erfolgt die Hochdruckplasma erzeugung analog zu der zur Plasmareaktoreinheit von Fig. 2 beschriebenen AC-Corona-Methode, wobei wiederum eine ringförmige Plasmazone (14) zwischen der Zentralelektrode (10) und dem Ansaugluftrohr-Wandungsabschnitt (11) vorliegt. FIG. 3 shows a plasma reactor unit with which a high-pressure plasma can be generated using the AC method with a dielectric barrier, in order thereby to achieve the desired provision of reactive particles in the intake air passed through. Analogous to the reactor unit of FIG. 2, in this reactor unit too, a central electrode ( 10 ) with spray tips ( 12 ) is introduced centrally into a surrounding intake air pipe wall section ( 11 ). In this case, however, the intake air tube wall section ( 11 ) is made of a dielectric material, such as glass, quartz or ceramic, and is surrounded on the outside by a metallic conductor ( 13 ), which forms the counter electrode to the central electrode ( 10 ). As an alternative to this metallic conductor network ( 13 ), the counter electrode can also be implemented as an additional outer coating of the intake air tube wall section ( 11 ). Both electrodes ( 10 , 13 ) are in turn connected to a voltage-supplying power unit ( 21 ). Due to the dielectric wall section ( 11 ) between the two electrodes ( 10 , 13 ), a plasma breakdown is excluded, so that higher voltages can be applied than in the plasma reactor unit of FIG. 2. Otherwise, the high-pressure plasma is generated analogously to that of the plasma reactor unit of FIG described. 2 AC corona method, again a ring-shaped plasma region (14) between the central electrode (10) and (11) is present intake air pipe-wall section.

In Fig. 4 ist eine Plasmareaktoreinheit zur Erzeugung eines Hochdruckplasmas mittels Mikrowellen dargestellt. Diese Plasmareaktoreinheit beinhaltet einen Zylinderresonator (15), innerhalb dem die Plasmazündung erfolgt. An den beiden Stirnflächen des Zylinderresonators (15) ist jeweils eine zentrale Kreislochblende (16, 18) vorgesehen. Durch diese sich gegenüberliegenden Öffnungen (16, 18) hindurch verläuft ein Gasführungsrohr (17), das aus einem dielektrischen Material besteht und Teil einer nicht weiter dargestellten Bypaßleitug strecke für einen zugehörigen Ansaugluftkanal des Motors ist.In FIG. 4 is a plasma reactor unit is shown for generating a high pressure plasma by means of microwaves. This plasma reactor unit contains a cylinder resonator ( 15 ) within which the plasma is ignited. A central circular aperture ( 16 , 18 ) is provided on each of the two end faces of the cylinder resonator ( 15 ). Through these opposite openings ( 16 , 18 ) runs through a gas guide tube ( 17 ) which consists of a dielectric material and part of a bypass line, not shown, for an associated intake air duct of the engine.

Parallel zu einer der beiden Stirnflächen des Zylinderresonatore (15) verlaufend ist ein Hohlleiter (19) vorgesehen, in den die von einem Magnetron erzeugten Mikrowellen (22) eingekoppelt werden, beispielsweise solche mit einer Frequenz von 2,45 GHz und der Hohlleiter-Schwingungsmode H₁₀. Weitere vorteilhafte Para meter bei dieser Art der Hochdruckplasmaerzeugung zur verbrennungsfördernden Ansaugluftbehandlung durch Generierung reaktiver Partikel in der Ansaugluft bestehen in der Wahl ein E₀₁₀-Schwingungsmode für den Zylinderresonator (15) und eines Rechteckhohlleiters vom Typ R-26 für den Hohlleiter (19).Running parallel to one of the two end faces of the cylindrical resonators ( 15 ) is a waveguide ( 19 ) into which the microwaves ( 22 ) generated by a magnetron are coupled, for example those with a frequency of 2.45 GHz and the waveguide vibration mode H 1 . Further advantageous parameters in this type of high-pressure plasma generation for combustion-promoting intake air treatment by generating reactive particles in the intake air include the choice of an E₀₁₀ vibration mode for the cylinder resonator ( 15 ) and a rectangular waveguide of the type R-26 for the waveguide ( 19 ).

Durch die in den Hohlleiter (19) eingekoppelte Mikrowellen strahlung wird der Zylinderresonator (15) angeregt, wobei die Kopplung über die beiden Kreislochblenden (16, 18) an den Stirnseiten des Zylinderresonators (15) erfolgt. Die Kreisloch blenden (16, 18) dienen vorliegend folglich sowohl als Koppellöcher für die Anregung des Zylinderresonators (15) als auch zur Gasführung.The cylindrical resonator ( 15 ) is excited by the microwave radiation coupled into the waveguide ( 19 ), the coupling taking place via the two circular aperture plates ( 16 , 18 ) on the end faces of the cylindrical resonator ( 15 ). The circular hole diaphragms ( 16 , 18 ) in the present case consequently serve both as coupling holes for the excitation of the cylinder resonator ( 15 ) and for gas guidance.

Das Plasma selbst wird innerhalb einer Zone (20) gezündet, die im Gasführungsrohr (17) innerhalb des Bereichs des Zylinder resonators (15) gebildet ist. Nachdem die Plasmazündung aufgrund der vom Hohlraumresonator (15) aufgenommenen Mikrowellenenergie erfolgt ist, nimmt der Hohlraumresonator (15) keine weitere Energie aus dem Hohlleiter (19) auf. Die Mikrowellenstrahlung im Hohlleiter (19) wird nun direkt in das Plasmagas eingekoppelt. Die Plasmazone innerhalb des Gasführungsrohres (14) befindet sich dann nicht mehr im Bereich des Zylinderresonators (15), sondern im Bereich des Hohlleiters (19). Zum Feinabgleich können nicht gezeigte elektromechanische Abstimmstifte in definierten Abständen im Hohlleiter angeordnet werden.The plasma itself is ignited within a zone ( 20 ) which is formed in the gas guide tube ( 17 ) within the region of the cylinder resonator ( 15 ). After the plasma is ignited due to the microwave energy absorbed by the cavity resonator ( 15 ), the cavity resonator ( 15 ) does not absorb any further energy from the waveguide ( 19 ). The microwave radiation in the waveguide ( 19 ) is now coupled directly into the plasma gas. The plasma zone within the gas guide tube ( 14 ) is then no longer in the area of the cylinder resonator ( 15 ) but in the area of the waveguide ( 19 ). For fine adjustment, electromechanical tuning pins (not shown) can be arranged in the waveguide at defined intervals.

In allen oben beschriebenen Plasmareaktoreinheiten erfolgt die Steuerung des Prozeßablaufs der Hochdruckplasmaerzeugung in Abhängigkeit vom Motorlastzustand, wozu die Ansaugluftmenge und die Kraftstoffeinspritzmenge gemessen und der Plasmaerzeugungs prozeß abhängig von diesen Meßwerten eingestellt wird. Es zeigt sich, daß sich mit den gezeigten Vorrichtungen die Ansaugluft bei einem Dieselmotor durch Überführung in einen Hochdruck plasmazustand so behandeln läßt, daß in ausreichender Zahl reaktive Partikel entstehen, die den Verbrennungsprozeß optimieren, so daß insbesondere die Verbrennungs-Induktionszeit verkürzt werden kann. Dadurch läßt sich die Laufkultur beispielsweise von Dieselmotoren mit Direkteinspritzung beträchtlich verbessern.This takes place in all of the plasma reactor units described above Control of the process flow of high pressure plasma generation in Depends on the engine load condition, including the amount of intake air and the fuel injection quantity measured and the plasma generation process is set depending on these measured values. It shows that the intake air with the devices shown in a diesel engine by converting it to high pressure plasma condition can be treated so that in sufficient number reactive particles are created that affect the combustion process optimize so that in particular the combustion induction time can be shortened. This allows the running culture for example of diesel engines with direct injection improve considerably.

Claims

1. A method for combustion-promoting intake air treatment for an internal combustion engine, characterized in that at least part of the intake air is converted into a high-pressure plasma state before it enters the combustion chamber in order to generate combustion-promoting components.

2. The method of claim 1, further characterized in that the high pressure plasma through a high pressure discharge of the AC / DC corona type or AC-type with a dielectric barrier becomes.

3. The method of claim 1, further characterized in that the high pressure plasma by a high frequency electromagnetic Field is generated, in particular by a microwave field in a frequency range between 0.95 GHz and 25 GHz, preferably with a frequency of about 2.45 GHz.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, further characterized in that the process of high pressure plasma generation depends on the measured intake air volume and the measured Fuel injection quantity is controlled.

5. Apparatus for combustion-promoting intake air treatment for an internal combustion engine, characterized by a plasma reactor arrangement ( 1 ) provided in the intake air duct ( 2 ) of the internal combustion engine, with which at least part of the intake air is converted into a high-pressure plasma state before it enters the combustion chamber for generating combustion-promoting components.

6. The device of claim 5, further characterized in that the plasma reactor arrangement one or more AC / DC corona type plasma reactor units included.

7. The device of claim 5, further characterized in that the plasma reactor arrangement one or more AC-type plasma reactor units with dielectric barrier includes.

8. The device according to claim 5, further characterized in that the plasma reactor assembly includes one or more microwave plasma reactor units, each having a cavity resonator ( 15 ) and a waveguide ( 19 ), the cavity resonator ( 15 ) via a hole or slot coupling is excited with microwaves from the waveguide ( 19 ).