DE2456163C2 - Brennkammer, insbesondere Kolbenarbeitsraum eines Motors - Google Patents

Brennkammer, insbesondere Kolbenarbeitsraum eines Motors

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DE2456163C2 DE2456163A DE2456163A DE2456163C2 DE 2456163 C2 DE2456163 C2 DE 2456163C2 DE 2456163 A DE2456163 A DE 2456163A DE 2456163 A DE2456163 A DE 2456163A DE 2456163 C2 DE2456163 C2 DE 2456163C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkammer — insbesondere einen Kolbenarbeitsraum eines Motors mit interner Verbrennung — mit darin erzeugbarem elektrischen Feld.
Aus der DE-OS 22 53 249 ist ein Verfahren zur Beeinflussung der Verbrennung bei Kraftmaschinen, insbesondere Kolbenmotoren, und Feuerungsanlagen mittels elektrischer Felder bekannt. Hierbei ist vorgesehen, sehr hohe Feldstärken zu verwenden, welche zu einer Gasentladung in der Brennkammer führen und damit den lonisationsgrad des Brennstoff-Luft-Gemisches erhöhen, um durch einen Anstieg der Konzentration der einfach positiv geladenen Molekül- und Fragment-Ionen sowie der Elektronendichte die Zahl der dissotiativen Rekombinationsprozesse, beispielsweise die Rekombination eines Stickoxyd-Ions mit einem Elektron zu elementarem Stickstoff und Sauerstoff, heraufzusetzen. Gegebenenfalls können die elektrischen Felder noch durch Magnetfelder überlagert werden, um die Bewegungen der Ladungsträger und damit ihre zeitliche bzw. räumliche Konzentration zusätzlich zu beeinflussen. Angaben darüber, welche Bewegungen bzw. Konzentrationsänderungen erreicht werden sollen, fehlen.
In der DE-PS 8 74 672 wird darauf hingewiesen, daß elektrische Felder, die bei Brennkraftmaschinen die Luft
oder die durch Zerstäubung von Brennstoff gebildeten Dämpfe oder Nebel ionisieren oder sogar elektrolytisch aufspalten sollen, um den Ablauf der Verbrennung zu verbessern, zweckmäßigerweise in der jeweiligen Brennkammer selbst erzeugt werden sollen.
Nach den oben abgehandelten Druckschriften wird also durch die Erzeugung von Gasentladungen oder durch katalytische Aufspaltung eine hohe Ionenkonzentration angestrebt. Abgesehen davon, daß dazu unter Umständen beträchtliche elektrische Leistungen notwendig sind, bleibt der Einfluß der Ionen auf die Rußbildung unbeachtet Neben ihrer Reaktionsfreudigkeit haben Ionen nämlich auch die Eigenschaft, als Kondensationskerne zu wirken, welcher Effekt beispielsweise in sogenannten Wilsonkamtnern ausgenutzt wird, wo die Tröpfchenbildung in übersättigtem Wasserdampf durch Ionen eingeleitet wird, deren Bewegungsbahn dementsprechend verfolgt werden kann. In entsprechender Weise können Ionen in einer Flamme als Kondensationskeime für Kohlenstoffatome bzw. Kohlenwasserstoffbruchstücke wirken und einen Polymersationsprozeß einleiten, dessen Endprodukt grobe Rußpartikel sind. Eine künstliche Erhöhung des Ionisationsgrades durch Gasentladungen oder katalytische Aufspaltung ist also zwangsläufig mit der Gefahr erhöhter Rußbildung verbunden.
Zwar wird in der DE-PS 4 18 557 bereits angeregt, Gase vor ihrer Einführung in einen Brennraum an einem Elektrodensystem vorbeizuführen, welches derart elektrisch geladen ist, daß die in der Luft bzw. den Gasen befindlichen Ionen zurückgehalten werden. Da jedodi die Zahl der in der Luft bzw. den Gasen enthaltenen Ionen geringfügig ist im Vergleich zu der Zahl der thermischen Ionen, welche bei der nachfolgenden Verbrennung im Brennraum zwangsläufig entstehen, kann die beschriebene Maßnahme keinen erheblichen Einfluß auf die lonenkonzentration haben. Dementsprechend muß wiederum mit einer großen Zahl von Kondensationskeime λ gerechnet werden, welche zur Rußbildung führen.
Im übrigen sind sogenannte elektrostatische Filter grundsätzlich bekannt, mit denen Staub u. dgl., und dementsprechend auch Ruß, aus Abgasen abgefangen werden kann. Derartige Filter sind zwar geeignet, die Einleitung von iiuß u. dgl. in die Atmospüare bzw. Umwelt zu verhindern, auf die Rußbildung selbst wird jedoch keinerlei Einfluß ausgeübt.
Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, die Vermeidung der Rußbildung L'ireits in der Brennkammer zu erreichen, indem dem Reaktionsprozeß in der Brenn-
tionskeime entzogen werden.
Diese Aufgabe wird bei einer Brennkammer der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das elektrische Feld mit einer Feldstärke unterhalb eines zur Erzeugung von Gasentladungen notwendigen Wertes anlegbar ist, um Ionen, die durch die in der Brennkammer erfolgende Verbrennung selbst entstehen, aus Bereichen starken Sauerstoffmangels abzuziehen sowie unter Entfachung eines die Vermischung von Brenn- und Sauerstoff fördernden lonenwindes zu kühlen Bereichen der Brennkammer in Richtung ihrer Wandung abzulenken.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Ionen vornehmlich in sauerstoffarmen Bereichen als Kondensationskeime wirken und die Rußbildung fördern. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Verlagerung der Ionen in sauerstoffreiche Zonen wird also die Rußbildung stark verlangsamt, gleichzeitig wird durch den entfachten Ionenwind eine gute Vermengung von Brenn- und Sauerstoff erreicht, so daß die zur Kondensation neigenden Bestandteile des Brennstoffes vollständig und ohne Rußbildung verbrannt werden können. Soweit die zur Kondensation neigenden Bestandteile in den sauerstoffärmeren Zonen verbleiben, werden sie aufgrund des Mangels an Ionen bzw. Kondensationskeimen an einer Kondensation gehindert und können demzufolge auch noch nach längerer Zeit mil Sauerstoff reagieren. Durch den Ionenwind und die mit denselben einhergehende gute Vermengung der Reaktionspartner für die nachfolgende Verbrennung sowie die Zurückdrängung der Kondensation in sauerstoffarmen Zonen wird demzufolge eine wesentlich vollständigere Verbrennung erzielt. Dabei besteht ein besonderer Vorteil darin, daß durch das Abziehen der Ionen aus Bereichen mit akutem Sauerstoffmangel die Emission po)ycyklischer Aromate (3—4 Benzpyren) reduziert wird.
Des weiteren bringt die Entfachu«? des lonenwindes bzw. die damit einhergehende Vermiscniung von Brenn- und Sauerstoff die Möglichkeit mit sich, Motoren, insbesondere Ottomotoren, ohne Gefahr von Zündaussetzern bei höheren Luft-Kraftstoff-Verhältnissen zu betreibesi, und zwar ohne Anstieg der CH-Emission. Aufgrund des höheren Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gelingt es gleichzeitig, die CO- und NO,-Emissionen im Abgas herabzusetzen.
Aufgrund der Erfindung werden die Ionen mittels des elektrischen Feldes bevorzugt auch in die Quenchbereiche der Brennkammer dirigiert. Bei bisherigen Brennkraftmaschinen führen die Quenchzonen auch bei homogener Brennstoffverteilung zu unvollständiger Verbrennung, und zwar auch dann, wenn es keine Stellen mit akutem Sauerstoffmangel gibt. Jedenfalls stammen bei einem Ottomotor trotz richtig eingestellten Vergasers bzw. richtig eingestellter Benzineinspritzung im Abgas zu findende unverbrannte Kohlenwasserstoffe in erster Linie aus den Quenchbereichen an den kühlen Z-'inderwänden und verschiedenen Spalten. Durch die Lenkung der Ionen in die Quenchbereiche werden auch die Flammen mit dem Ionenwind in diese Bereiche getrieben, so daß dort die Verbrennung erst viel später zum Erliegen kommt. Dementsprechend werden die Ausmaße der Quenchzonen abgebaut und die Menge der unverbrannten Kohlenwasserstoffe noch weiter reduziert.
Im übrigen können die Ionen mittels des elektrischen Feldes ständig in der Flammenfront mitgeführt werden.
Wenn gleichzeitig der Verbrennungsmotor mit Luftüberschuß betrieben wird, so kann erwartet werden, daß aufgrund der Reaktionsfreudigkeit dieser Ionen die rlamme sich schneller ausbreitet, d. h. die Flammgeschwindigkeit erhöht wird bzw. auch bei zu hohem Lsift-Überschuß die Gefahr für Verbrennungsaussetzer drastisch reduziert wird. Damit ergibt sich die Möglichkeit, den Motor mit noch höheren Luft-Brennstoff-Verhältnissen zu betreit jn und die CO- und NO,-Werte im Abgas noch weiter zu verbessern. Durch diese Maßnahme wird des weiteren auch die Startfreudigkeit des Motors erhöht, d. h. auch bei sehr stark abgemagertem Gemisch springt der Motor ohne Schwierigkeiten an. Dies ist gleichbedeutend damit, daß auch bei der bisher bezüglich des Schadstoffausstoßes problematischen Startphase von Verbrennungsmotoren die Menge der giftigen Abgase deutlich vermindert werden kann.
In Anwendung auf einen Dieselmotor ist in besonders bevorzugter Ausführung der Erfindung vorgesehen, daß
neben der Erzeugung eines die Rußbildung verhindernden elektrischen Feldes im Brennraum eine Abgasrückführung vorgesehen ist und der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung /urückverlegt wird. Bei einer derartigen Anordnung wird die NO,-Emission stark vermindert. Bisher ließ sich die Anordnung in der Praxis wegen der starken Rußbildung nicht verwirklichen.
Im übrigen gehen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnung hervor. Dabei zeigt
Fig. 1 ein Schnittbild durch den Koibenarbeitsraum eines erfindungsgemäß ausgestatteten Ottomotors,
F i g. 2a und 2b Schnittbilder von Kolbenarbeitsräumen und Vorkammern von Vorkammer-Dieselmotoren gemäß der Erfindung und
F i g. 3a und 3b schematische Darstellungen der erfind'jngsgerriäßen Ap.crd.Tjp.0 bei Brennern rnii offener Flamme.
In Fig. I ist schematisch ein Zylinder 12 eines Ottomotors mit einem Kolben 13, einem Zylinderkopf 16 und einer Zündkerze 15 dargestellt, deren Ende in den Zylinderkopf 16 ragt, um das dort komprimierte Gemisch zu zünden. Am Zylinderkopf 16 ist im Bereich der Zündkerze 15 eine Feldelektrode 11 befestigt, die gegenüber dem Zylinderkopf hochspannungsisoliert ist.
Im dargestellten Fall hat die Feldelektrode 11 die Gestalt einer Platte, die entsprechend der Zylinderkopfkuppe konkav gewölbt ist. Die Elektrode 11 ist mit dem positiven Pol einer (nicht dargestellten) Hochspannungsquelle von 5—10 kV verbunden, deren negativer Pol an Masse liegt. Das Metall des Zylinderkopfs 16. des Zylinders 12 und des Kolbens 13 ist elektrisch ebenfalls mit Masse verbunden.
Mit der beschriebenen Anordnung ergibt sich eine elektrische Feldverteilung, wie sie mit den Feldlinien E dargestellt ist. Die Feldlinien verlaufen von der Elektrode 11 zu den Wandungen des Verbrennungsraums, d. h. die bei der Verbrennung gebildeten positiven Ionen werden vom Bereich der Zündkerze 15 zu den Wänden hin beschleunigt. Sie werden dadurch mit der sich ausbreitenden Fiammenfront mitgeführt, beschleunigen die Flammenausbreitung und konzentrieren sich i:n den Quenchzonen an den relativ kühlen Wänden.
Die zwischen der Elektrode 11 und dem Zylinderkopf 16 liegende Isolationsschicht 14 sei so ausgelegt, daß über sie Wärme von der Elektrode abgeführt werden kann. Alternativ oder zusätzlich sei die Elektrode 11 selbst so ausgebildet, daß sie eine relativ große Wärmekapazität hat. Piides dient dazu. Temperaturspitzen in der Elektrode zu vermeiden, die evtl. zu Fehlzündungen des Verbrennungsgemischs führen können.
Bei einem Dieselmotor besteht diese Vorschrift hinsichtlich der Fehlzündungen nicht Hier stört eine Zündung durch eine heiße Elektrode nicht, sondern kann teilweise sogar von Voneil sein, weil die Vorreaktionszeit verkürzt und damit ein günstigeres akustisches Verhalten des Dieselmotors erreicht wird. Die F i g. 2a zeigt eine Anordnung für einen Dieselmotor, wo die Feldelektrode 21a gitterartig ausgebildet ist und sich quer durch den Zylinderkopf 26 erstreckt. Sie ist lediglich am Rand durch Isoliermaterial 24 am Zylinderkopf gehalten, so daß die Wärmeabfuhr geringer ist als im vorher beschriebenen Fall. Die Elektrode 21a liegt auch hier an einem Pol einer Hochspannungsquelle, deren anderer Pol ebenso wie das Metall des Zylinderkopfs 26. des Zylinders 22 und des Kolbens 23 an Masse liegt Die sich hierbei ergebende elektrische Feldverteilung ist mit den Feldlinien £ in F i g. 2a gezeigt. Man erkennt, daß auch hier die entstehenden Ionen in die Quenchzonen gelenkt werden.
Falls der Dieselmotor eine Vorkammer hat, wie sie mit 27 in F i g. 2a angedeutet ist. kann vorzugsweise eine zweite Feldelektrode 216 vorgesehen werden, die gegenüber der Wandung der Vorkammer durch Isolationsmaterial 24 hochspannungsisoliert ist. Diese zweite Elektrode 21 b liegt auf einem Hochspannungspotential, welches dem Potential der ersten Elektrode 21a gleich sein kann oder sich von diesem im Betrag und/oder Vorzeichen unterscheiden kann.
Wie in F i g. 2b dargestellt, kann auch die Einspritzdüse 28 auf Hochspannungspotential gelegt werden, um die Ionen aus dem Vorkammerhals abzusaugen. Gemäß einer anderen (nicht dargestellten) Ausführungsform wird bei einem Vorkammerdiesel ein starkes elektrisches Feld im Bereich der heftigsten Verbrennung d;idurch erzeugt, daß die Vorkammer samt Verbindungskanal zwischen Vor- und Hauptkammer gegen die restliche Motorslruktur elektrisch isoliert und auf Hochspannung gelegt wird.
Im Verbrennungsraum eines Direkteinspriizers kann man ohne gesondert eingebaute Feldelektrode auskommen, indem man das elektrische Feld mit einer an Hochspannung gelegten Einspritzdüse erzeugt. Beim Vorkamrrordiesel kann die durch Stege gehalterte Kugel, die bisher als reine Wärmekapazität dieme, isoliert angebracht und auf Hochspannung gelegt werden, um so gleichzeitig als Elektrode zu dienen.
In allen den vorstehend beschriebenen Fällen können die Potential an den Elektroden entweder konstant sein oder als Funktion der Kolbenstellung (bzw. Kurbelwinkelstellung) variiert werden, um den unterschiedlichen Gegebenheiten beim Ablauf der Verbrennung Rechnung zu tragen.
Die Fig. 3a und 3b zeigen Anordnungen zur Beeinflussung des Reaktionsablaufs bei einem Brenner mit offener Flamme. Im Fall der Fig. 3a befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten der Brennerflamme 30 zwei flache Elektroden 31 nach Art eines Plattenkondens;itors, die mit den Polen einer Hochspannungsquelle 39 verbunden sind. Die Brennerdüse 32 selbst kann mit einer der Elektroden verbunden sein. Im Falle der Fig. 3b ist eine rohrförmige Elektrode 31a vorgesehen, welche die Flamme 30 umgibt und am negativen Pol der Hochspannungsquelle 39 liegt. Der positive Pol ist mit der Brennerdüse verbunden. Bei diesen beiden Ausführungsformen werden Ionen aus der Reaktionszone abgesaugt, so daß Kondensationskerne beseitigt verden und die RuGbildung reduziert wird. Die Anordnung nach F i g. 3b eignet sich besonders für ölbrenner an Zentralheizungen. Die Elektroden 31 bzw. 31a können aus festem Material bestehen. Vorzugsweise sind sie jedoch netzartig ausgebildet.
Das erfindungsgemäße Prinzip unterscheidet sich ganz wesentlich von dem Verfahren der Rußabscheidung mittels elektrostatischer Felder, die als Elektrofüterung bekannt sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Rußbildung schon in statu nascendi unterdrückt, und es wird von vornherein schon weniger Ruß in der Flamme gebildet. Falls sich jedoch trotzdem einmal ein »Rußkeim« bilden sollte, so wird dieser rasch aus dem Bereich der Flamme herausbewegt und sein Wachstum frühzeitig gestoppt, so daß auf alle Fälle keine großen Rußpanikel entstehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Feldstärken niedriger, als daß es zu einer Gasentladung
kommen kann. Dadurch wird gewährleistet, daß praktisch keine elektrische Leistung verbraucht wird. Die Beeinflußbarkei' einer Flamme erfordert umso höhere Feldstärken, je höher der Druck ist und je schneller der Verbrennungsprozeß abläuft. Bei hohen Drücken kommt es erst bei sehr hohen Feldstärken zu Überschlagen, Ό daß man bis zu relativ hohen Verbrennungsgeschwindigkeiten immer noch ohne eine leistungsverzehrende Gasentladung auskommt.
K)
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
I)
20
40
45
50
60
65

Claims (18)

Patentansprüche:
1. Brennkammer — insbesondere Kolbenarbeitsraum eines Motors mit interner Verbrennung — mit darin erzeugbarem elektrischen Feld, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld mit einer Feldstärke unterhalb eines zur Erzeugung von Gasentladungen notwendigen Wertes anlegbar ist, um Ionen, die durch die in der Brennkammer erfolgende Verbrennung selbst entstehen, aus Bereichen starken Sauerstoffmangels abzuziehen sowie unter Entfachung eines die Vermischung von Brenn- und Sauerstoff fördernden Ionenwindes zu kühlen Bereichen der Brennkammer in Richtung ihrer Wandung abzulenken.
2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen mittels des elektrischen Feldes in <üq Quenchbereiche der Kammer dirigierbar sind.
3. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen mittels des elektrischen Feldes ständig in der Flammenfront mitführbar sind.
4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, dad zur NO,-Reduktion bei der Verbrennung in einem Dieselmotor zusätzlich eine Abgasrückführung vorgesehen und der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung zurückverlegbar ist.
5. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, da-J in der Brennkammer eine Feldelektrode (11; l\3) angeordnet ist, die an den einen Pol einer Hochspa.inungsquelle angeschlossen ist, deren anderer Pol mit den gegenüber der Elektrode isolierten leitenden Begrenzungswänden (12,13,16,22,23,26) der Brennkammer verbunden ist.
6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldelektrode (11; 21 a) mit dem positiven Pol und die Wände der Brennkammer mit dem negativen Pol der Hochspannungsquelle verbunden sind.
7. Brennkammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsquelle eine Spannung von 5 bis 10 kV liefert.
8. Brennkammer nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ottomotor die Feldelektrode (11) am Zylinderkopf (16) in der Nähe der Zündkerze (15) hochspannungsisoliert (Isolierung 14) befestigt ist und eine hinreichende Wärmeabfuhr und/oder Wärmekapazität aufweist, um Temperaturspitzen zur Vermeidung von Fehlzündungen abzubauen.
9. Brennkammer nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldelektrode (2Ia^ bei einem Dieselmotor ein sich quer durch den Zylinderkopf (26) erstreckendes und an der Zylinderkopfinnenwand isoliert befestigtes Gitter ist.
iö. Brennkammer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Vorkammer-Dieselmotor in der Vorkammer (27) eine zweite Elektrode (2\b) angeordnet ist, die gegenüber der Wandung der Vorkammer elektrisch isoliert (Isolierung 24) ist und auf Hochspannung liegt.
11. Brennkammer nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Verbrennungsmotor mit Direkteinspritzung die Einspritzdüse gegenüber dem restlichen Motorblock elektrisch isoliert und als Feldelektrode auf Hochspannung gelegt ist.
12. Brennkammer nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Vorkammer-Dieselmotor die Vorkammer samt Verbindungskanal zwischen Vor- und Hauptkanal gegenüber dem restlichen Motorblock elektrisch isoliert ist und auf Hochspannung liegt
ίο
13. Brennkammer nach einem der Ansprüche 5 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Vorkammer-Dieselmotor eine in der Vorkammer befindliche und durch Stege gehalterte Wärmekapazitätskugel gegenüber der restlichen Struktur elektrisch isoliert ist und als Feldelektrode auf Hochspannung gelegt ist
14. Brennkammer nach einem der Ansprüche 8 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Potentiale der Elektroden als Funktion der Kolbenstellung des Motors veränderbar sind.
15. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Brenner mit offener Flamme auf gegenüberliegenden Seiten der Brennerflamme (30) zwei parallele flache Elektroden (31) angeordnet sind, die mit den Polen einer Hochspannungsquelle (39)'. erbunden sind.
16. Brennkammer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerdüse (32) mit einer der Elektroden (31) elektrisch verbunden ist.
17. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Brenner mit offener Flamme eine die Brennerflamme (30) umgebende zylindrische Elektrode (3Ia^ am negativen Pol und die Brennerdüse (32) am positiven Pol einer Hoch-Spannungsquelle (39) liegt.
18. Brennkammer nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden netzartig sind.
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