DE202010005359U1

DE202010005359U1 - Vorrichtung zur Plasmazündung brennstoffhaltiger Gemische, insbesondere in Verbrennungsmotoren und -turbinen

Info

Publication number: DE202010005359U1
Application number: DE201020005359
Authority: DE
Original assignee: Goldammer, Stefan
Current assignee: GOLDAMMER, STEFAN, DE; ZEMBOLD, OTMAR, DR., DE
Priority date: 2010-05-03
Filing date: 2010-05-03
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2020-05-04

Abstract

Vorrichtung zur Plasmazündung brennstoffhaltiger Gemische, insbesondere in Verbrennungsmotoren und -turbinen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung mindestens eines Magnetfeldes im Bereich des Zündraums während jedes Zündvorganges, um eine volumenmäßige Ausdehnung eines Zündfunkenplasmas zu bewirken.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Plasmazündung brennstoffhaltiger Gemische, insbesondere in Verbrennungsmotoren und -turbinen.
In der eine entsprechende Vorrichtung beschreibenden DE 100 37 536 C2 ist zum Ausdruck gebracht, dass für eine effektive Zündung, insbesondere von mageren Gemischen ein hoher Anteil angeregter Moleküle Atome oder Radikale erforderlich ist, welcher von einem konventionellen Zündfunken zur Verfügung gestellt wird. Ein konventioneller Zündfunken ist ein Bogendurchschlag zwischen Elektroden, die zu einem überwiegenden thermischen Plasma führen.
Um den Wirkungsgrad bei der Plasmazündung brennstoffhaltiger Gemische bei Beibehaltung einer guten Laufkultur einerseits zu erhöhen und um weiterhin zu erreichen, dass die relevanten motorischen Rohemissionen (NOx, HC, CO, Partikel) möglichst geringe Werte aufweisen, bestand gemäß DE 100 37 536 C2 die Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine hohe volumenmäßige Ausdehnung eines mit einem Plasma erzeugten Funken zur Zündung brennstoffhaltiger Gemische in Verbrennungsmotoren erreicht werden kann. Diese Aufgabe sollte bei dem bekannten System mittels einer gepulsten Hochfrequenzentladung in einer Plasma-Feldentladung erreicht, wobei die Entladung zwischen mit einem Dielektrikum beschichteten Elektroden erfolgt, um ein Nichtgleichgewichts-Plasma zu erzeugen. Dies hat den Nachteil eines hohen konstruktiven Aufwandes, einer zusätzlich komplizierten Handhabung der Hochfrequenztechnik und Zündspannungsisolierung bei einem zu geringen Wirkungsgrad und hat sich deshalb in der Praxis nicht durchgesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die weitere Erhöhung des Wirkungsgrades eines Verbrennungsvorganges mit der volumenmäßigen Ausdehnung des Zündfunkenplasmas über einen von Plasmaspulen erzeugten Magnetfeld-Impuls zu erreichen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Einrichtung, mit der durch eine magnetische Partikel- bzw. Plasmabeeinflussung während jedes Zündvorganges im Bereich des Zündraums mindestens ein Magnetfeld erzeugbar ist, welches das Plasma des Zündfunkens aus dem relativ schmalen thermischen Gleichgewicht weiter aufweitet, womit in überraschender Weise eine erhöhte volumenmäßige Ausdehnung des mit einem Plasma erzeugten Funkens zur Zündung brennstoffhaltiger Gemische in Verbrennungsmotoren erreicht wird.
Diese Einrichtung enthält vorzugsweise eine Zündkerze, die eine Mittelelektrode und mindestens eine mit ihrem einen Ende an Masse angeschlossene, aus elektrisch leitendem Material bestehende Spule enthält, deren anderes, einen Zündkontakt bildendes Ende in einem ein Überspringen eines Zündfunkens ermöglichenden Abstand von der Mittelelektrode liegt.
Aus den durch die mittels der Spulen, die auch als Streu-Plasmaspulen bezeichnet werden können, erreichten Nicht-Gleichgewichts-Plasmen resultiert eine erhöhte Konzentration an aktivierten Molekülen, Atomen und ionisierten Radikalen. Damit verbunden ist ebenfalls eine hohe Konzentration von Sekundärradikalen, die eine erhöhte volumenmäßig ausgedehnte Anwesenheit von Radikalen im Gemisch gewährleisten und auch eine zuverlässige Zündung magerer Gemische erreichen. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. Zündkerze sind in den Unteransprüchen 3 bis 15 behandelt.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt in vergrößerter Darstellung ausschnittsweise das obere Ende einer Zündkerze mit einer der Mittelelektrode zugeordneten Spule.
2 entspricht der Darstellung von 1 mit zusätzlich eingezeichnetem Magnetfeld.
3 zeigt eine Draufsicht auf das in den 1 und 2 dargestellte Zündkerzensystem.
4 zeigt in vergrößerter Darstellung ausschnittsweise das obere Ende einer Zündkerze mit zwei der Mittelelektrode zugeordneten Spulen.
5 zeigt in der Seitenansicht eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung.
6 zeigt eine Draufsicht auf das in 4 dargestellte System.
Die 7 und 8 zeigen schematisiert dargestellt Spulensysteme mit drei bzw. sechs Spulen, deren Achsen jeweils in gleichmäßigen Winkelabständen von einander liegen.
9 zeigt eine Seitenansicht einer Standard-Zündkerze, der erfindungsgemäß im Bereich des oberen Endes der Mittelelektrode zwei Spulen zugeordnet sind.
Der in 9 dargestellten Standard-Zündkerze 1 sind erfindungsgemäß im Zündbereich der Mittelelektrode 2 zwei an Masse angeschlossenen Spulen zugeordnet, wie es im Folgenden noch unter Bezugnahme auf die 4 und 6 beschrieben ist.
Bei der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündkerze sind in vereinfachter Darstellung das Einschraubgewinde 4 sowie die Mittelelektrode 2 dargestellt. Die Mittelelektrode 2 ragt in das Innere einer aus elektrisch leitendem Material bestehenden Spule 3, die auf einen Isolierzylinder 7 aufgewickelt ist. Die Mittelelektrode 2 liegt mit ihrem den Zündkontakt bildenden Ende innerhalb der Spule 3. Der Zündkontakt der Mittelelektrode 2 liegt in einem ein Überspringen eines Zündfunkens ermöglichenden Abstand von dem oberen Spulenende, das zu einem den zweiten Zündkontakt bildenden Ring-Polende 3.1 gewickelt ist, dessen Durchmesser kleiner ist als der Wicklungsdurchmesser der Spule 3. Das andere Spulenende mittels eines Leiters 3.2 ist an Masse angeschlossen.
Die Achse der Spule 3 liegt in der Verlängerung der Zündkerzen- und der Mittelelektrodenachse.
Bei der Ausführungsform gemäß den 4 und 6 sind der von einem Isolierzylinder 16 umgebenen Mittelelektrode 12 zwei mit ihren Achsen radial nach außen gerichteten Spulen 13 zugeordnet, deren außen liegenden Enden mittels der Leiter 13.2 an Masse angeschlossen sind und deren innere Enden an einen gemeinsamen, der Mittelelektrode 12 mit Abstand gegenüberliegenden Zündkontakt angeschlossen sind, der durch einen in der Verlängerung der Mittelelektrodenachse liegenden Polring 13.1 gebildet ist.
Bei der Ausführungsform gemäß 5 enthält die Mittelelektrode 22 an ihrem oberen Ende zwei radial nach außen gerichtete Elektrodenzweige 22.1, deren Enden innerhalb von zwei mit ihren Achsen radial nach außen gerichteten Spulen 23 liegen, deren innere Enden mittels der Leiter 23.2 an Masse angeschlossen sind. Die äußeren Enden der Spulen 23 haben die Form von Zündkontakten bildenden Ring-Polenden 23.1, deren Durchmesser kleiner ist als der Spulendurchmesser. Die innenliegenden Enden der Spulen 23 sind mittels Leitern 23.2 an Masse angeschlossen.
Die Spulen 23 sind auf Isolierzylinder 27 aufgewickelt. Die Mittelelektrode 22 ist von einem Isolierzylinder 26 umgeben.
Gemäß 7 umfasst das Spulensystem drei Spulen 13, deren Achsen in einem Winkelabstand von 120° liegen. Gemäß 8 sind sechs Spulen 13 vorgesehen, deren Achsen in einem Winkelabstand von 60° liegen.
Bei den Spulensystemen gemäß den 7 und 8 sind vergleichbar mit 6 die außen liegenden Spulenenden an Masse angeschlossen, während die innen liegenden Spulenenden an einen gemeinsamen Polring 13.1 angeschlossen sind, der den der Mittelelektrode axial mit Abstand gegenüberliegenden Zündkontakt bildet.
Die Spulen bestehen vorzugsweise aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe von Nickel-Mangan-Silicium-Legierungen, Chrom-Stahl, Nickel-Barrum- und Nickel-Pollodium-Legierungen, Platin oder vorzugsweise Wolfram.
Die Spulen sind vorzugsweise aus einem Draht mit einem Durchmesser D4 zwischen 0,3 mm und 1,2 mm gewickelt. Der Außendurchmesser D1 jeder Spule hat vorzugsweise einen Wert zwischen 3 mm und 10 mm, während der Spuleninnendurchmesser D2 einen Wert zwischen 2,4 mm und 7,6 mm hat. Der Außendurchmesser D3 der Ring-Polenden wird bestimmt durch den Innendurchmesser D2 der jeweiligen Spulen.
Die Spulen können vorzugsweise zumindest teilweise in einen Körper aus hochisolierendem, temperaturfestem Material eingegossen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann jede Spule vorzugsweise konisch verlaufend oder mehrlagig isoliert gewickelt sein.
Das erfindungsgemäße Zündsystem nutzt den Zündstrom, der während einer HV-Zündentladung zwischen den modifizierten Zündkontakten blitzartig fließt, um in einer oder mehreren Spulen, die am Zündkerzenkopf montiert wurden, ein pulsartiges Magnetfeld aufzubauen, dass

a) die im Entladungsplasma vorhandenen Ladungsträger zusätzlich beschleunigt,
b) die Reaktionskinetik unter den Ladungsträgern im Plasma erhöht,
c) der bei einem Magnetfeld erzeugte Pirsch-Effekt bei bestimmten Ladungsträgern eine gezielte Richtungslenkung des Zündplasmas ermöglicht und
d) damit eine bessere Verteilung des Zündplasmas im Brennraum bewirkt.

Die dabei frei werdenden Ladungsträger energetisieren das Brennstoffgemisch und man erreicht eine bessere Nutzung der Energieausbeute des Brennstoffgemisches.
Durchgeführte Versuche und Testmessungen haben eine Brennstoff-Verbrauchsminderung um 30% und eine Reduzierung von Abgaswerten um mehr als 80% gezeigt.
Die Werte D1 für den Außendurchmesser der Puls-Plasmaspule liegen vorzugsweise zwischen 3 mm und 10 mm. Bei bevorzugten Spulenmatierialdurchmessern D4 zwischen 0,3 mm und 1,2 mm errechnet sich ein Spulen-Innendurchmesser D2 zwischen 2,4 mm und 7,6 mm.
Die Anordnung, die Anzahl der Spulenwindungen, die Form (auch konisch wie in 8 dargestellt) und die Länge H einer Puls-Plasmaspule ist variabel und richtet sich nach dem jeweiligen Anwendungsfall.
Gemäß den 2, 4 und 5 verlaufen die Feldlinien der mittels der Spulen aufgebauten Magnetfelder jeweils in Pfeilrichtung, wodurch auch die erfindungsgemäße Lage des Nordpols N und des Südpols S festgelegt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mittelelektrode aus einer mehradrig gedrillten Materialstruktur besteht, die am Ende entsprechend der Anordnung der Puls-Plasmaspulen geometrisch aufgespleist wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10037536 C2 [0002, 0003]

Claims

Vorrichtung zur Plasmazündung brennstoffhaltiger Gemische, insbesondere in Verbrennungsmotoren und -turbinen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung mindestens eines Magnetfeldes im Bereich des Zündraums während jedes Zündvorganges, um eine volumenmäßige Ausdehnung eines Zündfunkenplasmas zu bewirken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Zündkerze ist, enthaltend – eine Mittelelektrode (2; 12; 22) und – mindestens eine mit ihrem einen Ende an Masse angeschlossene, aus elektrisch leitendem Material bestehende Spule (3 bzw. 13 bzw. 23), deren anderes, einen Zündkontakt bildendes Ende in einem ein Überspringen eines Zündfunkens ermöglichenden Abstand von der Mittelelektrode liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine mit ihrer Achse in der Verlängerung der Zündkerzenachse liegende Spule (3) enthält, deren den Zündkontakt bildendes Ende als Ring-Polende (3.1) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode (2) mit ihrem den Zündkontakt bildenden Ende innerhalb der Spule (3) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelelektrode (12) mindestens zwei mit ihren Achsen radial nach außen gerichtete Spulen (13) zugeordnet sind, deren außen liegenden Enden an Masse angeschlossen sind, und deren innere Enden an einen gemeinsamen, der Mittelelektrode (12) mit Abstand gegenüberliegenden Zündkontakt angeschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Enden der Spulen (13) an einen gemeinsamen, den Zündkontakt bildenden Polring (13.1) angeschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode (22) mindestens zwei radial nach außen gerichtete Elektrodenzweige (22.1) und entsprechend der Anzahl dieser Elektrodenzweige mit ihren Achsen radial nach außen gerichtete Spulen (23) enthält, deren innere Enden an Masse angeschlossen sind, und deren äußere Enden die Form von Zündkontakte bildende Ring-Polenden (23.1) haben, deren Durchmesser kleiner ist als der Spuendurchmesser und dass die Elektrodenzweige innerhalb der Spulen enden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen aus einem Material bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe von Nickel-Mangan-Silicium-Legierungen, Chromstahl, Nickel-Barium-, Nickel-Pollodium- und Nb-Legierungen, Platin oder vorzugsweise Wolfram.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode zumindest teilweise von Isoliermaterial umgeben ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule auf einen Zylinderkörper aus Isoliermaterial aufgewickelt ist
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule zumindest teilweise in einen Körper aus hochisolierendem, temperaturfestem Material eingegossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen aus einem Draht mit einem Durchmesser zwischen 0,3 mm und 1,2 mm gewickelt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser jeder Spule einen Wert zwischen 3 mm und 10 mm und dass der Spuleninnendurchmesser einen Wert zwischen 2,4 mm und 7,6 mm hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule konisch verlaufend und/oder mehrlagig isoliert gewickelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode aus einer mehradrig gedrillten Materialstruktur besteht, die am Ende entsprechend der Anordnung der Puls-Plasmaspulen geometrisch aufgespleist wird.