DE19802745A1 - Mikrowellentechnische Zünd- und Verbrennungsunterstützungs-Einrichtung für einen Kraftstoffmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mikrowellentechnische Zünd- und Verbrennungsunterstützungs-Einrichtung für einen Kraftstoffmo­ tor mit mindestens einem Brennraum zur Zündung eines in den je­ weiligen Brennraum eingebrachten Kraftstoffgemischs und zur un­ terstützenden Verbrennung desselben. Sie besteht aus einer pulsbaren Mikrowellenquelle, von der für die abgebene Frequenz Mikrowellenleiter zu den Brennräumen des Motors führen, so daß die Mikrowelle über Öffnungen in der feststehenden Brennraumbe­ wandung zum vorgesehenen Zündzeitpunkt in den als Resonatorraum wirkenden Brennraum und erneut zur Unterstützung der Verbren­ nung in der abklingenden Verbrennungsphase einkoppelt.

Zweck dieser Zündungstechnik und unterstützten Verbrennung ist die effektive Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Brennraum.

Experimente mit dem Ziel, mikrowellenunterstützte Verbrennung magerer Kohlenwasserstoff-Kraftstoff-Luft-Gemische in Kraft­ stoffmotoren einzusetzen, wurden andererseits durchgeführt. Un­ tersuchungen über die Geschwindigkeit der Flammausbreitung und die Verstärkung dieser bei Mager-Gemischen waren die zentrale Anliegen.

Eine kombinierte Zündtechnik, bestehend aus der konventionellen Zündfunkenzündung mit mikrowellenangeregter Verbrennung, gewis­ sermaßen eine Hybridzündung des Kraftstoffgemisch mit Verbren­ nungsunterstützung, wird in dem Aufsatz "Microwave Stimulated Combustion" von M. A. V. Ward in Journal of Microwave Power 15(3), 1980 auf den Seiten 193-202 beschrieben. Mikrowelle­ nenergie wird in eine zylindrische Verbrennungsbombe eingekop­ pelt, in der verschiedene Propan-Luft-Gemische bei jeweils 1 atm eingeschlossen sind. Das jeweilige Gemisch wird durch den konventionellen Zündfunken und eine Plasmastrahlzündung gezün­ det. Im Brennraum wird die TM_{0 1 0}-Mode mit einem Magnetron bei 2.45 GHz in Leistungsbereichen um die 100 W angeregt. Der Ein­ satz der Mikrowellenenergie erlaubt eine beträchtliche Ausdeh­ nung der Magergrenze des Kraftstoffgemisch und bewirkt eine Verdopplung der Flammgeschwindigkeit nahe der Magergrenze der plasmastrahlgezündeten Kraftstoffmischung.

Die Flammentwicklung unter Mikrowelleneinfluß haben E. G. Groff und M. K. Krage ebenfalls untersucht, um die über einen Brenner in einen Hohlraumresonator eingeströmten Luft-Kraftstsoff-Gemi­ sche zu untersuchen. Hierzu wird eine Flamme auf der Achse des Resonators aufgestellt. In den Resonator werden Mikrowellen der Frequenz von etwa 2.4 GHz eingekoppelt, die in der niedrigen TM_{0 1 0}-Mode resonieren. Daraus resultieren elektrische Feldin­ tensitäten, die über 10⁵V/m lagen. Für Mager-Luft-Gemische wird beobachtet, daß die Brenngeschwindigkeit mit der elektri­ schen Feldintensität zunimmt. Dies wird auf die Mikrowellen-Hei­ zung zurückgeführt, die eine höhere Flammtemperatur be­ wirkt (siehe Combustion And Flame 56.293-306 (1984)).

Aus der Erkenntnis, daß die Flammgeschwindigkeit bei niedriger Verbrennungstemperatur unter Mikrowelleneinfluß erhöht werden kann, stellte sich die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt. Diese ist, eine Zünd- und Verbrennungsunterstützungs-Ein­ richtung mittels Mikrowellentechnik zu entwickeln, mit der es möglich ist, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch im Brennraum eines Kraftstoffmotors sicher mit einer darin eingekoppelten Mikro­ welle zu zünden und die Verbrennung mit ihr optimal zu unter­ stützen. Bei dem Kraftstoff handelt es sich um herkömmliche Kohlenwasserstoff-Verbindungen, wie sie bei selbstzündenden und fremdgezündeten Motoren üblicherweise verwendet werden.

Die Aufgabe wird durch eine mikrowellentechnische Zünd- und un­ terstützende Verbrennungs-Einrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Hauptkomponenten sind dabei die Mikrowellenquelle, die auf die Betriebsfrequenz abgestimmten Mikrowellenleiter von der Quelle bis zum jeweiligen, aus Zylinder und Kolbenstirn gebil­ deten Brennraum als Resonator. Wesentlich ist die Erzeugung ei­ nes Modengemischs durch mindestens eine Einkoppelöffnung, die in den feststehenden Brennraumwänden vorhanden ist. Das Moden­ gemisch soll für die Zündung aus mindestens zwei Moden beste­ hen, wovon vorteilhafter Weise die eine eine zentral konzen­ trierte Mode niederer Ordnung und die andere eine um die Kol­ benachse gleichverteilte, nahe der Brennraumwand gelegene Mode hoher Ordnung ist (sog. Whispering-Gallery-Mode). Im Brennraum wird für die Zündung eine Gesamthomogenität der elektrischen Feldstärkeverteilung erreicht, die sich sowohl radial zur Kol­ benachse ausbildet und auch parallel zur Kolbenachse ausdehnt. Die Leistung der einkoppelnden Mikrowelle ist dabei so hoch, daß sich die Feldstärkeüberhöhungen des Whispering Gallery Mo­ des und des Grundmodes sicher über der Zündfeldstärke für ein Kraftstoffgemisch von 100 kV/m befinden.

Durch den zumindest unmittelbar nach der Zündung selbständigen Abbrand des Luft-Kraftstoff-Gemisches ändert sich u. a. auch die hochfrequenztechnische Eigenschaft der Brennraumfüllung ganz wesentlich, und zwar durch eine Erhöhung der Resonator­ güte, so daß sich das in der Zündphase angeregte Modengemisch nicht unmittelbar anregen läßt. Vielmehr wird mit der anregen­ den Mikrowelle gleicher Frequenz lediglich noch die gleichver­ teilte Mode hoher Ordnung (Whispering-Gallery-Mode) nahe der Brennraumwand angeregt. Diese hat genau den Vorteil, daß dort unvollständig verbrannter Kraftstoff oder Verbrennungsreste vollständig durch die Mikrowelleneinwirkung abbrennen, wodurch die Brennraumwände von anhaftenden Rußkondensaten freigehalten werden.

Da zur Ausbildung solcher für die Zündung und zur Unterstützung der restlichen Verbrennung nützlicher Modengemische bzw. Moden die Brennraumgeometrie maßgebend ist, muß die einzukoppelnde Mikrowelle in ihrer Frequenz von Typ zu Typ eines solchen Kraftstoffmotors angepaßt werden. Vorzugsweise befindet sich die Einkoppelöffnung der Mikrowelle im Zylinderkopf an Stellen, wo der gewünschte Mode angeregt werden kann (Anspruch 6).

Da konditionierte Klimabedingungen im allgemeinen für einen Mo­ torbetrieb nicht vorgesehen sind, wird eine technisch ausge­ reifte, robuste und daher wirtschaftlich auch günstige Mikro­ wellenquelle wie ein Magnetron verwendet, was aber den Einsatz anderer Mikrowellenquellen in Röhren- oder Halbleitertechnik, sofern sie sich wegen spezieller Randbedingungen nahelegen, nicht ausschließt.

Verbrennungsmotoren haben beim gegenwärtigen Stand der Technik einen zylindrischen Verbrennungs- und Hubraum (Anspruch 2), wo­ bei der zylindrische Durchmesser für die Festlegung der Ein­ kopplungsfrequenz einflußreich ist.

Um die Gesamthomogenität des angeregten Modengemisch oder der angeregten Mode zu erhöhen, wird ein polygonaler Brennraumquer­ schnitt aufgrund der vorteilhaften Homogenitätsausbildung darin nahegelegt (siehe DE 196 33 245 Hochmodiger Mikrowellenresona­ tor), insbesondere der hexagonale (Anspruch 3 und 4).

Die Einkoppelöffnungen für die Mikrowelle befinden sich auf je den Fall in den feststehenden Wandteilen, also im Zylinderkopf oder der Zylinderwand des Brennraums (Anspruch 5).

Die Einkopplung für das Zündintervall erfolgt vorteilhafter Weise an Stellen der bestmöglichen Anregbarkeit der gewünschten Mode. Das Zeitintervall für die Einkopplung zur Verbrennungsun­ terstützung liegt so, daß die nach der Zündung selbständig ab­ laufende Verbrennung (Plasma) in ihrer abklingenden Phase durch den nochmal einkoppelnden Mikrowellenpuls, der jetzt aufgrund der geänderten Hochfrequenzeigenschaften im Brennraum nur noch die Moden hoher Ordnung anregt.

Der Vorteil einer solchen mikrowellentechnischen Zünd- und die Verbrennung unterstützenden Einrichtung liegt in der optimalen Ausnutzung eines in die Brennräume des Kraftstoffmotors einge­ leiteten mageren Luft-Kraftstoff-Gemischs. Durch die Ausbildung eines zur Kolbenachse rotationssymmetrischen Modengemischs mit säulenartiger Ausdehnung parallel zur Kolbenachse mit minde­ stens einer Grundmode niedriger Ordnung und einer Mode hoher oder höherer Ordnung (Whispering-Gallery-Mode) wird für die Zündung eine optimale Voraussetzung durch viele gleichzeitig vorhandene Zündquellen in Form von Feldstärke-Überhöhungsberei­ che, die wesentliche über der Zündfeldstärke liegen, angeregt. Da die Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs eine Eigendynamik entwickelt, die im ausgeprägten Flammzustand (Plasma) nicht mehr maßgebend von einer weiteren Mikrowelleneinkopplung beein­ flußt werden kann, wird die Verbrennung nach dem Zündpuls und der primären Flamm- und Verbrennungsphase sich selbst überlas­ sen. Lediglich beim Abklingen der Verbrennung wird erneut ein die Restverbrennung unterstützender Mikrowellenpuls eingekop­ pelt. Insbesondere wird Wandablagerungen durch unvollständige Verbrennung vorgebeugt. Jede Verbrennung läuft durch die Ein­ satzsteuerung und die zeitliche Pulsbreitensteuerung der beiden Mikrowellenpulse im Zünd- bzw. Verbrennungstakt vollständig und damit optimal ab. Dadurch sind erheblich magerere Luft-Kraft­ stoff-Gemische zu zünden kein Problem mehr.

Aus dieser physikalisch vorteilhaften Zündart und Unterstützung der Verbrennung ergeben sich in Folge weitere Vorteile techni­ scher Natur und umweltfreundlicher sowie wirtschaftlicher Art:

• - Erhöhung der Flammgeschwindigkeit und damit bessere Durch­ brennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs.
• - Verbesserung des Wirkungsgrads von Kraftstoffmotoren.
• - Reduktion von Schadstoffemissionen bei niederen Verbren­ nungstemperaturen.
• - Einsparung von Kraftstoff.
• - Erhöhung der Lebensdauer des Kraftstoffmotors.
• - Bei fremdgezündeten Kraftstoffmotoren wie Ottomotoren, genü­ gen konventionelle Benzinmotoren, da Magergemische zuverläs­ sig gezündet werden. Kolbengetriebene Flugzeugmotoren, die wegen der dünnen Luft in großer Höhe bisher fette Kraft­ stoffgemische benötigen sind durch solche Benzinmotoren er­ setzbar.
• - bei Dieselmotoren erfolgt die Selbstzündung bei niedrigerer Verdichtung.
• - Teure Katalysatoreinrichtungen sind wegen fehlender Schad­ stoffemission überflüssig.

Die Erfindung wird für den Einsatz in einer geläufigen Mo­ torklasse anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Modenausbildung im mit ungezündeten Treibstoff gefüll­ ten Brennraum,

Fig. 2 Modenausbildung im Brennraum bei weitgehend verbranntem Treibstoff,

Fig. 3 hexagonale Brennraumgeometrie.

Die in den Brennraum zur Anregung der Mode niedrigster Ordnung, TM_{0 1 0}, einzukoppelnde Mikrowelle wurde für die vorliegende Geometrie des Brennraums, im wesentlichen der zylindrische Brennraumdurchmesser, bei 2.8 GHz ermittelt. Dieser Mode ist zentral und liegt mit seinem Maximum auf der Kolbenachse. Zwar ist er denkbar für eine Zündung des Kraftstoff-Gemischs, hat aber nur den Achsbereich als Zündquelle. Zum Rand hin, dem dem Quadrat einbeschrieben Kreis in der Darstellung von Fig. 1 nimmt das Feld monoton auf Werte ab, die keine Bedeutung mehr für eine Zündung bzw. Verbrennungsunterstützung haben.

Die Untersuchung der Einkopplung höherer Frequenzen in den Brennraum ergab für die Mikrowelle mit der Frequenz 20 GHz eine optimale Modenanregung für einerseits die Zündung und andrer­ seits die nachfolgende Verbrennungsunterstützung. (Noch höhere Frequenzen erregen instabile, nahezu beliebige jedoch unbrauch­ bare Modengemische.) Beim gerade noch nicht gezündeten Kraft­ stoff-Luft-Gemisch bildet sich im Brennraum die Mode niedriger Ordnung, nämlich TM_{0 2 0}, und die Wispering-Gallery-Mode TM_{12 1 0} aus (Fig. 1). Hiermit sind ideale Bedingungen für eine simul­ tane Zündung des Luft-Kraftstoffs im Brennraum gegeben, einer­ seits im zentralen Bereich nahe der Kolbenachse und andrerseits nahe der Zylinderwand durch viele um die Achse gleichverteilte Zündquellen. Dabei dehnt sich das Modengemisch säulenartig über die Brennraumhöhe aus. Die Gesamtfeldhomogenität dieses Modengemischs ist zudem höher als bei der TM_{0 1 0}-Mode. In Fig. 1 zeigen die gelben und Richtung rot gehenden Bereiche die Gebiete an, in denen die Feldstärke sicher über der Zündfeld­ stärke für das Luft-Kraftstoff-Gemisch liegen.

Nachdem die Zündung erfolgte, läuft die Verbrennung zunächst unbeeinflußbar selbständig mit der ihr vorübergehend dominie­ renden Eigendynamik ab, so daß sich aufgrund der Plasmaausbil­ dung auch nicht wirksam eine Mikrowelle einkoppeln läßt. Damit einher geht eine starke Erhöhung der Resonatorgüte. Durch Tem­ peraturunterschiede insbesondere nahe der Wand kondensieren Kraftstoff- und Verbrennungsrückstände. Letztere insbesondere schlagen sich auf den Brennraumwänden nieder und bauen Ver­ schmutzungen auf. Im abklingenden Verbrennungsprozeß ist eine erneute Mikrowelleneinkopplung möglich, allerdings wird auf­ grund der jetzt bestehenden Mikrowelleneigenschaften im Brenn­ raum nur noch die Whispering-Gallery-Mode der Ordnung TM_{12 1 0} angeregt (Fig. 2). Dafür aber teilt sich die gesamte Energie des Modengemischs für die Zündung jetzt in dem alleinigen Mode hoher Ordnung gleichverteilt auf. Gerade dieser Mode hoher Ord­ nung ist von Vorteil, da er gewissermaßen einen um die Kolben­ achse gleichverteilten Zündquellenring aus Zündquellensäulen nahe der Brennraumwand darstellt, mit dem restlicher Kraftstoff und Verbrennungsrückstände im Wandbereich vollständig verbrannt werden. Durch die in dieser Phase sich nicht mehr ausbildende Mode niedriger Ordnung verteilt sich die Leistung des Mikrowellenpulses jetzt völlig auf die Mode hoher Ordnung. Die Feldstärke in den Zündquellenbereichen liegt erheblich über der Zündfeldstärke aus dem Zündintervall und zeigt sich daher durch ein tiefes Rot. Für die restliche Verbrennung herrschen dort ausgezeichnete Voraussetzungen.

Eine weitere Optimierung der Verbrennung besteht in einer geän­ derten Brennraumgestaltung. Eine solche ist der in Fig. 3 sche­ matisch dargestellte, hexagonale Verbrennungsraum. Der Vorteil gegenüber der zylindrischen Geometrie besteht darin, daß keine Feldfokussierung (kaustische Strukturen) und Überhöhungen, die die Feld- und Zündverteilung inhomogen gestalten, auftreten und somit eine gleichmäßige Ausleuchtung des Brennraums im Zentrum sowie am Rande auch bei hochmodiger Erregung besteht. Technisch am wenigsten problematisch ist, wenn der regelmäßige hexagonale Querschnitt des Brennraums dem nach wie vor kreiszylindrischen Querschnitt des Kolbenhubraums umschrieben wird. Natürlich kann der Brennraumquerschnitt auch kleiner, dem Kolbenquerschnitt gar einbeschrieben sein, das würde jedoch aus Sicherheitsüber­ legungen heraus nicht durchgeführt werden. Mikrowellentechnisch wären die Eigenschaften qualitativ gleich.

Claims (7)

1. Mikrowellentechnische Zünd- und Verbrennungsunterstützungs-Ein­ richtung für einen Kraftstoffmotor mit mindestens einem Brennraum zur Zündung eines in den jeweiligen Brennraum eingebrachten Kraftstoffgemischs und zur unterstützenden Verbrennung desselben, bestehend aus einer pulsbaren Mikro­ wellenquelle von der mindestens eine an das System ange­ paßte Mikrowellenleitung (Hohlleiter, Koaxialkabel, Mi­ krostreifenleitung) zum jeweiligen durch Zylinder und Kol­ ben gebildeten Brennraum (Resonatorraum) des Motorblocks führt, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kraftstoffzündung durch den zum Zündzeitpunkt in den Brennraum einzukoppelnden Mikrowellenpuls erfolgt, die Brennraumgestaltung eine bevorzugte Frequenz der über mindestens eine Einkoppelöffnung einzukoppelnden Mikrowelle festlegt, die darin für die Zündung und Verbrennung eine jeweils bevorzugten Mode oder ein jeweils bevorzugtes Mo­ dengemisch anregt,
der zur Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches in den Brenn­ raum eingekoppelte Mikrowellenpuls mindestens zwei Moden anregt, die eine elektrische Feldverteilung aufweisen, die einer Gleichverteilung am Wert der Zündfeldstärke im gesam­ ten Brennraum am nächsten kommt und sich durch zentral kon­ zentrierte Moden niederer Ordnung mit Moden hoher Ordnung (Whispering-Gallery-Moden) ergänzen, womit sich eine Ge­ samthomogenität der Feldverteilung im Brennraum vom Zentrum zur Berandung sowie in axialer Ausdehnung ergibt,
der zur Unterstützung der restlichen Verbrennung des Kraft­ stoff-Luft-Gemisches in den Brennraum eingekoppelte Mikro­ wellenpuls nur noch einen am Brennraumrandbereich um die Kolbenachse gleichverteilte Mode hoher Ordnung (Whispering Gallery Mode) anregt, wodurch Kondensatablagerungen an der Brennraumwand durch unvollständig verbrannte Kraftstoffre­ ste vorgebeugt wird,
der Einsatzzeitpunkt und die Breite des jeweiligen Mikro­ wellenpulses für die Zündung und für die Verbrennung steu­ erbar ist.

2. Mikrowellentechnische Zünd- und Verbrennungsunterstützungs-Ein­ richtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum im Querschnitt zylindrisch ist.

3. Mikrowellentechnische Zünd- und Verbrennungsunterstützungs-Ein­ richtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum im Querschnitt regelmäßig polygonal, minde­ stens jedoch quadratisch ist.

4. Mikrowellentechnische Zünd- und Verbrennungsunterstützungs-Ein­ richtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraum hexagonal ist.

5. Mikrowellentechnische Zünd- und Verbrennungsunterstützungs-Ein­ richtung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Einkoppelöffnungen für die Mikrowelle im Zylinderkopfbereich vorzugsweise im Bereich bestmöglicher Anregung einer gewünschten Mode liegt.

6. Mikrowellentechnische Zünd- und Verbrennungsunterstützungs-Ein­ richtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenquelle eine röhrentechnische Baukomponente wie ein Magnetron ist.

7. Mikrowellentechnische Zünd- und Verbrennungsunterstützungs-Ein­ richtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenquelle eine Halbleiterbaukomponente ist.