DE2938650A1

DE2938650A1 - Elektrischer zuender

Info

Publication number: DE2938650A1
Application number: DE19792938650
Authority: DE
Inventors: Gavin Conroy Hunter Axe; Kenneth Albert Goreham
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: Smiths Group PLC
Priority date: 1978-09-29
Filing date: 1979-09-25
Publication date: 1980-04-10
Also published as: JPS5560663A; US4264844A; FR2437713B1; FR2437713A1

Description

Elektrischer Zünder

Die Erfindung betrifft elektrische Zünder mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, die voneinander durch eine Halbleiterfläche getrennt sind, welche innerhalb des Zündraumes angeordnet ist, der sich vom Zünder an dessen Arbeitskopf derart öffnet, daß eine Entladung innerhalb des Zündraumes ein Ausstoßen von Plasma durch die öffnung an dem Kopf bewirkt.

Die Erfindung befaßt sich insbesondere, jedoch nicht ausschließlich mit Zündern, wie sie in Gasturbinen verwendet werden, sowie mit Verfahren zur Zündung und Aufrechterhaltung der Verbrennung in Gasturbinenmaschinen.

Elektrische Zünder für Gasturbinen und andere Anwendungen sind an sich bekannt (vergleiche z.B. GB-PS 1 544 203); bei diesen Zündern werden zwei Elektroden voneinander über eine Halbleiterfläche innerhalb eines Raumes getrennt, welcher am Arbeitskopf des Zünders vorgesehen ist.

Ein Anlegen einer geeigneten hohen elektrischen Energie an die Elektroden bewirkt eine Entladung nahe dieses Zündraumes, welcher

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wiederum ein Plasma erzeugt, das vom Arbeitskopf nach vorne ausgestoßen wird, wodurch eine Zündung einer Mischung von verdampftem Kraftstoff und Luft in der Verbrennungskammer der Maschine bewirkt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Zünder vorzusehen, der die Erzeugung eines Plasmas mit verbesserten Zündungseigenschaften ermöglicht. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein verbessertes Zündverfahren aufzuzeigen.

Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein elektrischer Zünder der vorgenannten Art vorgesehen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Zünder einen Durchfluß besitzt, über den geringe Mengen von Flüssigkeit in den Zündraum vor der Entladung eingeführt werden können, derart, daß die Entladung innerhalb des Zündraumes eine Verdampfung und Moleküldissoziation der Flüssigkeit bewirkt, wodurch die Konzentration niedriger Aktivierungsenergie innerhalb des Plasmas erhöht wird.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur elektrischen Zündung aufgezeigt, bei dem eine elektrische Entladung über einer innerhalb eines Raumes in dem Zünder angeordneten Halbleiterfläche bewirkt wird, wodurch ein Plasma aus dem Raum durch eine öffnung an der Spitze des Zünders zur Verwendung bei der Zündung eines sich außerhalb des Zünders befindlichen Kraftstoff-Luftgemisches ausgestoßen wird, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß vor der Zündung geringe Flüssigkeitsmengen in den Raum eingeführt werden, derart, daß bei der Zündung eine Verdampfung und Moleküldissoziation der Flüssigkeit auftritt, wodurch ein Plasma mit erhöhter Konzentration von niedriger Aktiverungsmenge erzeugt wird.

Die Halbleiterfläche kann über der Bohrung durch das ringförmige Element vorgesehen sein. Die Flüssigkeit kann über eine Kapillarrohre in den Raum eingeführt werden. Die Flüssigkeit kann bei-

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spielsweise ein Kohlenwasserstoff-Kraftstoff oder Wasser sein.

Eine gesteigerte Konzentration von niedriger Aktivierungsenergie innerhalb des Plasmas ergibt eine verbesserte Wirksamkeit der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Verbrennungskammer einer Maschine.

Ein elektrischer Zünder für eine Gasturbine gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung und ein Verfahren zur Zündung gemäß dem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird nun als Beispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, welche einen Längsschnitt durch den Zünder darstellt.

Der Zünder (oder die Zündkerze) besitzt eine durchgehend zylindrische Nase 1, welche den ArbeitskQpf des Zünders definiert.

Ein Raum 2 ist innerhalb der vorderen Spitze der Nase ausgebildet und öffnet sich von dem Zünder nach außen. Geringe Mengen von Flüssigkeit werden über eine kapillare Zuführungsröhre 3 in den Raum 2 eingespritzt; bei Anlegen einer geeigneten hohen elektrischen Energie an den Zünder tritt eine Entladung innerhalb des Raumes auf, welche ein Plasma erzeugt, das vom Zünder nach vorn ausgestoßen wird.

Die Nase 1 besitzt eine äußere Hülse 4 aus rostfreiem Stahl, deren eines Ende innerhalb des Hauptgehäuses 5 des Zünders mittels eines sich nach außen erstreckenden Rands 6gehalten wird, welcher am rückseitigen Ende der Hülse angebracht ist. Der Rand 6 sitzt in einer ringförmigen Ausnehmung 7 des Hauptgehäuses 5 und die Nase ist durch Lötung in ihrer Position gehalten. Ein röhrenförmiger keramischer Einsatz 8 erstreckt sich koaxial innerhalb des rückwärtigen Endes der Außenhülse 4 und ist mit dieser an seinem vorderen Ende durch eine Dichtung 9 aus Glas verschmolzen oder anderweitig abgedichtet. Das vordere Ende des Einsatzes 8 liegt mit seiner Stirnseite an dem rückwärtigen Ende eines ringförmigen Halbleiterkörpers 10 an, an welchen sich wiederum das rückwärtige

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Ende eines Wolframringes 11 anschließt, welcher an dem vorderen Kopf der Nase 1 angebracht ist. Der Wolframring 11 besitzt eine sich verjüngende Mantelfläche, welche mit einem sich nach innen erweiternden Teil 12 am vorderen Ende der Hülse 4 in Eingriff ist. Der Halbleiterkörper 10 ist von der Außenhülse 4 durch eine elektrisch isolierende Hülse 13 isoliert, welche beispielsweise aus fadenförmigem Material besteht (dies ist ein Stoff, welcher aus rekonstituierten Glimmerblättchen in einer Siliciumharzmatrix gebildet wird). Die Hülse 13 umgibt den Körper 10 und das vordere Ende des keramischen Einsatzes 8.

Der Raum 2 am vorderen Kopf der Nase 1 wird durch eine durch den Halbleiterkörper 10 verlaufende Bohrung 14 und eine durch den Wolframring 11 verlaufende Öffnung 15 definiert. Das vordere Ende der inneren Elektrode 16 erstreckt sich innerhalb des rückwärtigen Teils der Bohrung 14 durch den Körper 10. Dieses vordere Ende der inneren Elektrode 16 wird durch einen Wolframkopf 17 gebildet, der an seinem hinteren Ende 18 mit dem Rest der Elektrode verschweißt ist, welche aus einer Nickel-Kobalt-Eisenlegierung besteht, wie sie beispielsweise unter dem Namen NiIo K im Handel erhältlich ist. Die innere Elektrode 16 erstreckt sich koaxial durch den keramischen Einsatz 8 und ist an ihrem vorderen Ende mittels einer Dichtung 19 aus Glas, eingeschmolzen oder anderweitig abgedichtet, welche innerhalb des vorderen Endes des Einsatzes ausgebildet ist. Ein Metallring ist in eine Rille längs des Umfangs des Kopfes 17 eingeschnappt, so daß er mit dem rückwärtigen Ende des Körpers 10 in Eingriff ist, so daß er ein Herausfallen des Kopfes 7 aus dem Rest der inneren Elektrode 16 verhindert, falls die Schweißverbindung am rückwärtigen Ende zerbrechen sollte.

Das rückwärtige Ende der inneren Elektrode 16 ist mit einer Kontaktbuchse 21 verschweißt, welche dazu dient, einen elektrischen Kontakt mit der Elektrode herzustellen und welche am rückwärtigen Ende des keramischen Einsatzes 8 gehalten wird.

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Die innere Elektrode 16 ist an ihrem rückwärtigen Ende mittels einer Dichtung oder Verschlußstückes 22 aus Glas verschmolzen oder anderweitig abgedichtet, welches innerhalb des rückwärtigen Endes des Einsatzes 8 gebildet ist.

Die Zuführleitung 3 ist aus Metall und ihr vorderes Ende liegt in einer kreisförmigen Rille 23, welche in der rückwärtigen flachen Oberfläche des Ringes 11 ausgebildet ist, und welche sich in den Raum 2 erstreckt. Die Zuführleitung 3 erstreckt sich in den rückwärtigen Teil des Zünders zwischen dem keramischen Einsatz 8 und der äußeren Hülse 4. Die Röhre 3 ist in rechten Winkeln etwa in der Mitte der Längserstreckung des Zünders abgebogen und verläuft durch eine Seitenöffnung 30 radial aus dem Zünder heraus. Die Öffnung 30 ist in dem Hauptgehäuse 5 ausgebildet und mittels einer Metallplatte 31 abgeschlossen, welche durch einen umgebördelten Flansch 32 in Position gehalten wird, welcher an ihrem Umfang angreift. Die Zuführröhre 3 wird durch einen Silikongummi-Durchführungsstopfen 33 gestützt, welcher in einer zentralen Öffnung der Platte 31 gesichert eingesetzt ist, und der auch dazu dient, die Zuführleitung von der Platte und dem Zündergehäuse 5 zu isolieren. Das Gehäuse 5 enthält auch eine Isolationsfüllung 34 aus Silikonkautschuk oder-gummi, welche die Zuführleitung 3 weiterhin abstützt und isoliert.

Die Zuführleitung 3 erstreckt sich von dem Zünder weg und ist mit ihrem rückwärtigen Ende an eine Versorgungsleitung 35 angeschlossen, welche flüssigen Kohlenwasserstoff-Kraftstoff zur Maschine führt. Eine elektrische Isolierung kann an einer beliebigen Stelle längs der Röhre 3 vorgesehen sein, oder dort wo die Leitung an das Rohr 35 angeschlossen ist, derart, daß das Versorgungsrohr elektrisch vom Zünder isoliert ist.

Der Zünder besitzt auch eine rückwärtige äußere Hülse 40, durch die eine elektrische Verbindung zur inneren Elektrode 16 hergestellt wird. Die Hülse 40 besteht aus rostfreiem Stahl und ist

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innerhalb des rückwärtigen Endes des Gehäuses 5 verlötet; sie besitzt einen mit einem Gewinde versehenen Teil 41 an ihrer äußeren Mantelfläche, so daß ein nicht gezeigter elektrischer Stecker am Zünder angebracht werden kann. Die Hülse 40 ist an ihrem rückwärtigen Ende umgebördelt, um einen Flansch 42 zu bilden, der mit dem rückwärtigen Ende des keramischen Einsatzes 8 in Eingriff ist.

Der Zünder ist dafür vorgesehen, in einem Maschinengehäuse angebracht zu werden, wobei die Nase 1 in (oder in Richtung nach innen) die Verbrennungskammer des Motors ragt. Hierfür ist das Zündergehäuse 5 mit einem Flansch 60 versehen, welcher sich an der Nase 1 radial nach außen erstreckt und derart ausgebildet ist, daß er zur Außenfläche des Maschinengehäuses paßt.

Der Zünder ist mittels Bolzenlöchern 61 (von denen nur eines gezeigt ist) im Flansch 60 sicher verstiftet in Position an dem Motorgehäuse gehalten. Eine Dichtung kann zwischen den Flansch und das Gehäuse eingesetzt sein, um einen gasdichten Verschluß zu bilden.

Im Betrieb fließt Kraftstoff längs des Versorgungsrohres 35 und wird zu dem vorderen Ende der Zuführleitung 3 gedrückt, wo er in den Raum 2 tropft. Die äußere elektrische Verbindung zur inneren Elektrode 16 und zur äußeren Elektrode, welche durch den Wolframring 11 gebildet wird, erfolgt mittels eines nicht gezeigten elektrischen Steckers, welcher mit der Hülse 40 und der Kontaktbuchse 21 in Eingriff ist. Die Versorgungseinheit 70 liefert geeignete hohe elektrische Energie, welche über den Stecker angelegt wird, so daß eine Entladung zwischen dem Ring und dem Kopf 17 über die Halbleiterfläche erfolgt, welche durch die Bohrung 14 des Halbleiterkörpers 10 gebildet wird. Diese hochenergetische (Oberflächen-) Entladung bewirkt eine Verdampfung des flüssigen Kraftstoffs innerhalb des Raumes 2 und erzeugt ein Plasma durch Aufbrechen dieses verdampften Kraftstoffes in seine molekularen Bestandteile mit niedriger Akti-

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vierungsenergie. Das Plasma wird durch die Öffnung 15 in die Motorverbrennungskammer aufgrund der Wirkung der expandierenden Gase ausgestoßen. Die Einführung der Flüssigkeit in den Raum hat somit zwei Hauptwirkungen: Einmal wird die Konzentration von Bestandteilen mit niedrigerer Aktivierungsenergie in dem Plasma erhöht (und zwar über diejenige, welche ohne Einführung der Flüssigkeit auftreten würde) und zum anderen wird das Ausstoßen des Plasmas vom Zünder durch die Verdampfungswirkung der Flüssigkeit und die Expansion der produzierten Gase unterstützt. Die Zuführung von isolierender Flüssigkeit in den Raum bewirkt auch die Erhöhung des Widerstandes des Spalts zwischen den zwei Elektroden 11 und 17; auf diese Weise wird mehr Energie von der Versorgungseinheit 70 an das Plasma übertragen.

Der Durchmesser der Öffnung 15 ist etwa 3 mm (der Durchmesser der Bohrung 14 des Körpers 10 etwa 3,81 mm); die Dicke des Ringes 11 beträgt etwa 1,73 mm und der Spalt zwischen dem rückwärtigen Teil des Ringes 11 und dem Kopf 17 der inneren Elektrode 1,27 mm. Dies ergibt einen Raum 2 mit einem Gesamtvolumen von etwa 26,7 microliter. Die dem Raum 2 zugeführte Flüssigkeitsmenge ist nur verhältnismäßig gering, etwa 0,5 bis 1,0 microliter. Dies bedeutet etwa 1,9 bis 3,7 % des Raumvolumens. Die dem Raum zugeführte Flüssigkeitsmenge hängt von der Länge und dem inneren Durchmesser der Zuführungsleitung 3 und dem Flüssigkeitsdruck in dem Versorgungsraum 35 ab. Größe und Form des Raumes 2 und der Öffnung 15 bestimmen die Art und Weise, in der das Plasma in die Motor- oder Maschinenverbrennungskammer ausgestoßen wird. So wird beispielsweise bei einer kleinen Öffnung 15 das Plasma über eine größere Entfernung aus dem Zünder ausgestoßen. Dies hat den Vorteil, daß der Zünder in einen größeren Abstand von der Verbrennungszone des Motors angeordnet sein kann, so daß der Zünder nicht den hohen Temperaturen ausgesetzt wird, welche in der Verbrennungszone auftreten; auch wird das Risiko der Verunreinigung mit Verbrennungsprodukten verringert.

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Während es somit Vorteile gibt, welche dafür sprechen, den Zünder mit einer kleinen Öffnung zu versehen, kann dies auch einen Nachteil insofern bedeuten, als das durch die Öffnung 15 herausgeblasene Plasma die Neigung besitzt, die Bestandteile mit niedriger Aktivierungsenergie an der Wand der Öffnung "abzuschrecken" (dies bedeutet, daß sie mit der Wand reagieren und stabile Bestandteile erzeugen, welche keine Rolle in dem Verbrennungsvorgang spielen); dies führt zu einer Reduzierung der Konzentration dieser Bestandteile und somit zu einer Reduktion der Zündungseffizienz. Das Ausmaß der Abschreckung wächst mit fallendem Durchmesser bzw. Querschnitt der Öffnung 15, da die in Kontakt mit der öffnungwand kommende Plasmamenge für Öffnungen mit kleinerer Fläche größer ist. Die Größe des Raumes 2 und seiner Öffnung 15 soll deshalb derart gewählt werden, daß die Plasmaflamme in einen Bereich ausgestoßen wird, wo die Zündung am wirksamsten erfolgt, wobei die Größe und Geometrie der Verbrennungskammer und die Position des Zünders berücksichtigt werden müssen. Ebenfalls berücksichtigt werden muß die Tatsache, daß die Reduzierung der Größe der Öffnung auch die Konzentration der Bestandteile mit niedriger Aktivierungsenergie im Plasma reduziert. Es ist verständlich, daß die Bohrung 14 und die Öffnung 15 nicht unbedingt einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen müssen.

Es ist nicht erforderlich, daß die in den Raum 2 eingebrachte Flüssigkeit ein entflammbarer Kraftstoff ist; es könnte beispielsweise auch flüssiges Wasser sein. Die Verwendung einer Oberflächenentladungszündung ermöglicht es, genügend Energie zur Verdampfung des Wassers zuzuführen und es in Bestandteile mit niedrigerer Aktivierungsenergie aufzuspalten.

Alternative Anordnungen zur Zuführung von Flüssigkeit zu dem Zündungsraum 2 sind ebenfalls in Betracht zu ziehen. Die Zuführleitung 3 könnte beispielsweise sich auch durch die innere Elektrode 16 erstrecken.

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Die Halbleiteroberfläche muß nicht notwendigerweise in der Bohrung eines ringförmigen Körpers vorgesehen sein, sondern sie könnte beispielsweise auch an der Oberfläche mit irgendeiner beliebigen anderen Form angebracht werden, welche sich zwischen den zwei Elektroden innerhalb des Raumes erstreckt.

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Claims

Dipl.-Ing.

Rolf Charter

Patentanwalt

Rehlingenstraße 8 · Postfach 260

D-8900 Augsburg 31

Telefon 0821/36015+36016

Telex 533275

Poslscheckkomo: München Nr 1547 89-801

Anm.: Smiths Industries Limited 7991/97/K/Gr Augsburg, 18. September 1979

Patentansprüche

Elektrischer Zünder mit einer ersten und einer zweiten Elektrode die voneinander durch eine Halbleiterflache getrennt sind, welche innerhalb des Zündraumes angeordnet ist, der sich vom Zünder an dessen Arbeitskopf derart öffnet, daß eine Entladung innerhalb des Zündraumes ein Ausstoßen von Plasma durch die Öffnung an dem Kopf bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Zünder einen Durchfluß (3) besitzt über den geringe Mengen von Flüssigkeit in den Zündraum vor der Entladung eingeführt werden können, derart, daß die Entladung innerhalb des Zündraumes (2) eine Verdampfung und Molekül Dissoziation der Flüssigkeit bewirkt, wodurch die Konzentration niedriger Aktivierungsenergie innerhalb des Plasmas erhöht wird.
2. Elektrischer Zünder nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterfläche oberhalb der Bohrung(14)angebracht und durch ein ringförmiges Glied (10) dargestellt wird und daß der Zündraum (2) zumindest zum Teil durch die Bohrung (14) gebildet wird.
3. Elektrischer Zünder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Glied (10) aus Halbleiter-Material ist.

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4. Elektrischer Zünder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, daß eine (11) der ersten und zweiten Elektrode am Kopf des Zünders angeordnet ist und daß diese Elektrode (11) eine öffnung (15) besitztjdurch die das Plasma ausgestoßen wird.
5. Elektrischer Zünder nach Anspruch 2 oder 3 und 4, dadurch g ekennzeichnet, daß die eine Elektrode (11) ringförmig ist und am Kopf des Zünders angebracht ist,und daß die Öffnung (15) der einen Elektrode (11) einen Teil des Zündraumes (2) bildet.
6. Elektrischer Zünder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Querschnittsfläche der öffnung (15) kleiner ist als die Querschnittsfläche des Rests des Zündraumes (2).
7. Elektrischer Zünder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß durch eine Kapillarrohre (3) gebildet wird, welche sich in den Zündraum (2) öffnet.
8. Elektrischer Zünder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Zündraum (2 ) eingeführte Flüssigkeitsvolumen geringer ist als 5 % des Zündraumvolumens (2).
9. Elektrischer Zünder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Wasser ist .
10. Elektrischer Zünder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein Kohlenwasserstoff-Kraftstoff ist.

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11. Verfahren zur elektrischen Zündung, bei dem eine elektrische Entladung über eine Halbleiterfläche bewirkt wird, welche innerhalb eines Raumes eines Zünders angeordnet ist, um ein Ausstoßen von Plasma aus dem Raum durch eine sich am Kopf des Zünders befindliche Öffnung zu bewirken, in Anwendung auf eine Zündung eines Kraftstoffluftgemisches außerhalb des Zünders, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Zündung geringe Flüssigkeitsmengen in den Raum (2) eingeführt werden, derart, daß bei der Zündung eine Verdampfung und Moleküldissoziation der Flüssigkeit auftritt, wodurch ein Plasma mit erhöhter Konzentration von niedriger Aktivierungsenergie erzeugt wird.
12. Verfahren zur elektrischen Zündung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Raum (2) vor der Entladung eingeführte Flüssigkeitsvolumen geringer als 5 % des Volumens des Raums (2) ist.
13. Verfahren zur elektrischen Zündung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Wasser ist.
14. Verfahren zur elektrischen Zündung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein Kohlenwasserstoff/Kraftstoff ist.

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