DE3527041A1 - Verfahren zur einbringung thermischer energie in einen mit einem medium gefuellten raum und einrichtung hierzu - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einbringung thermischer Energie in einen mit einem Medium gefüll­ ten Raum sowie eine Einrichtung hierzu.

Verfahren der o. gen. Art sind in vielfältiger Form bekannt. So kann z. B. über eine Heizplatte thermische Energie in einen Kochtopf transportiert werden.

Bei einem Verbrennungsmotor wird thermische Energie durch die Einbringung und Zündung des Treib­ stoffs in den Zylinderraum eingebracht.

Weiter ist es möglich, thermische Energie in einem bestimmten Raum über Hochfrequenzfleder zu erzeu­ gen. Letztgenannter Effekt wird z. B. bei modernen Backöfen ausgenützt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren und eine zur Durchführung des Verfahrens ge­ eignete Vorrichtung vorzuschlagen, mit welchem im Medium eines Raumes mindestens eng begrenzt örtlich durch Einbringung thermischer Energie sehr rasch eine sehr hohe Temperatur erzielt werden kann.

Diese Aufgabe ist verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß im Medium selbst mittels eines Hochfrequenzfeldes ein Plasma gezündet und dessen Energie über die Ener­ gie und/oder Frequenz des Hochfrequenzfeldes gere­ gelt wird. Um ein Plasma zu zünden, benötigt man nur sehr kurze Zeit, weil ja nur die fast masselosen Elektro­ nen beschleunigt werden müssen. Hierzu ist eine be­ stimmte Hochfrequenzleistung nötig, die abhängig von dem zu ionisierenden Medium ist. Wird diese Hochfre­ quenzleistung abgestrahlt, entsteht das Plasma, sofern gleichzeitig die notwendige Feldstärke erreicht wird, um eine Selbstzündung des Plasmas zu bewirken. Die Temperatur des Plasmas ist hierbei abhängig von der zugeführten Leistung und von der Frequenz des Wech­ selfeldes. Auf diese Art und Weise kann, zudem leicht regelbar, eine gewünschte Wärmemenge in das Medium des genannten Raumes eingebracht werden und eine gewünschte Temperatur erreicht werden.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betrieb ei­ nes thermische Energie benötigenden Motors vorge­ schlagen, wobei in einem im Motor benutzten Medium mittels eines Hochfrequenzfeldes ein Plasma gezündet und dessen Energie über die Energie und/oder Fre­ quenz des Hochfrequenzfeldes geregelt wird in Abhän­ gigkeit von der in das Medium einzubringenden thermi­ schen Energie. Mit diesem Verfahren ist es beispielswei­ se möglich, einen Druckluftmotor zu betreiben, bei dem in einen Zylinderraum lediglich Luft unter atmosphäri­ schem Druck eingelassen wird, die dann in sehr kurzer Zeit über ein in der Luft gezündetes Plasma auf sehr hohe Temperatur erhitzt wird, so daß sich diese Luft in Abhängigkeit von der eingebrachten Energie mehr oder weniger rasch ausdehnt und dabei z. B. einen Kolben vor sich her treiben kann. Hierdurch ist einerseits die Einbringung eines Verbrennungsmediums und dessen Verbrennung mit allen Belastungen für die Umwelt nicht mehr erforderlich und es gelingt andererseits die notwendige thermische Energie nahezu beliebig schnell einzubringen.

Es wird weiter noch vorgeschlagen, daß erfindungs­ gemäße Verfahren auszugestalten zur Zündung eines Verbrennungsmotors, wobei dann das Plasma im Ver­ brennungsraum des Motors zum gewünschten Zünd­ zeitpunkt mit einer für die gewünschte Verbrennungs­ qualität notwendigen Temperatur und Dauer gezündet wird. Mit dem Plasma läßt sich ein wählbar großes Raumvolumen des Verbrennungsgemisches gleichzeitig entzünden, so daß eine sehr homogene Verbrennung erreicht und ein Klopfen des Motors vermieden wird. Hierbei kann die Standzeit des Plasmafunkens beliebig gewählt werden. Es kann sogar eine Nachverbrennung über das Plasma vorgenommen werden. Bei Verwen­ dung eines Plasmas zur Zündung des Verbrennungsge­ misches sind die bisherigen Schwierigkeiten mit den üb­ lichen Zündkerzen beseitigt. Es muß nicht mehr auf rich­ tigen Elektrodenabstand oder auf richtigen Wärmewert der Zündkerzen geachtet werden und es tritt kein Zünd­ kerzenverschleiß mehr ein. Auch die Gefahr einer um­ weltbelastenden schlechten Verbrennung durch fehler­ hafte Zündkerzen ist beseitigt. Bei Verwendung einer Plasmazündung tritt ein weiterer positiver Effekt da­ durch ein, daß Ruß oder Verbrennungsrückstände im Motor eine höhere Dielektrizitätskonstante als das Ver­ brennungsgemisch, in dem das Plasma gezündet werden soll, aufweisen und dadurch mehr Hochfrequenzenergie absorbieren und somit verbrennen. Es kann nun sogar nach abklingender Verbrennung die Plasmazündener­ gie aufgeregelt werden, damit alle Restbestände des Verbrennungsgemisches mit verbrennen. Bleizusätze beim Treibstoff können entfallen, da Klopfgefahr nicht mehr besteht. Bei Dieselmotoren kann das Vorglühen entfallen, da bei Verwendung einer Plasmazündung schon nach einigen Millisekunden die notwendige Zünd­ temperatur erreicht ist. Darüber hinaus können Abgase von Verbrennungsmaschinen durch die hohe Reaktions­ temperatur des Plasmas in andere Stoffe überführt wer­ den. Es entstehen Verbindungen, die normalerweise nicht erzeugbar wären, da es keine geeigneten Kataly­ satoren gibt, bzw. die nötige Reaktionstemperatur nicht erreicht werden kann.

Bei einer Einrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemaßen Verfahrens wird vorgeschlagen, daß in den mit thermischer Energie zu versorgenden Raum eine mit einem unmittelbar angekoppelten Resonator abgestimmte Elektrode hineinragt, wobei Elektrode und Resonator mit einem von einem Leistungsschalter ge­ schalteten Hochfrequenzgenerator verbunden sind. Über die Elektrode kann auf einfache Weise die not­ wendige Leistung abgestrahlt werden. Hierbei muß al­ lerdings der Resonator unmittelbar mit der Elektrode gekoppelt sein, um das Entstehen eines Plasmas am fal­ schen Ort zu verhindern.

Sofern die erfindungsgemäße Einrichtung als Zünd­ einrichtung eines Verbrennungsmotor Anwendung fin­ det, wird vorgeschlagen, daß die Elektrode in den Ver­ brennungsraum hineinragt. Hierdurch wird die notwen­ dige Energie dort abgestrahlt, wo das Plasma zur Zün­ dung des Verbrennungsgemisches entstehen soll.

Sofern es sich um einen Mehrzylinderverbrennungs­ motor handelt, wird vorgeschlagen, daß jedem Verbren­ nungsraum eine Elektrode zugeordnet ist, wobei alle Elektroden und die zugeordneten Resonatoren mit ei­ nem für alle gemeinsamen Hochfrequenzgenerator ver­ bunden sind. Dies ist die einfachste Bauart, bei der aller­ dings hingenommen werden muß, daß bei jeder Schal­ tung des Hochfrequenzgenerators an jeder Elektrode ein Plasma entsteht, so daß in den in der Taktfolge nicht arbeitenden Zylindern eine Blindzündung erfolgt. Ist dies nicht erwünscht oder wegen der Bauart des Motors unzulässig, so wird als Ergänzung nach der Erfindung vorgeschlagen, daß zwischen Resonator und Elektrode einerseits und Hochfrequenzgenerator andererseits ei­ ne schaltbare Trenneinrichtung vorgesehen ist, wobei von der Steuereinrichtung für die Zündung und die Zündfolge sowohl die jeweilige Trenneinrichtung als auch der Leistungsschalter für den Hochfrequenzgene­ rator geschaltet wird. Auf diese Art und Weise wird erreicht, daß immer nur die Elektrode ihre Energie zur Erzeugung des Plasmas abstrahlt, die dem jeweiligen Zylinder mit Arbeitstakt zugeordnet ist.

Eine Alternative kann aber nach der Erfindung auch darin bestehen, daß für jede Resonator/Elektrode-Ein­ heit ein Hochfrequenzgenerator mit einem zugeordne­ ten Leistungsschalter vorgesehen ist, wobei jeder Lei­ stungsschalter über einen Steuerimpuls von der Steuer­ einrichtung für die Zündung und Zündfolge geschaltet wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, sehr rasch hohe thermische Energiemengen in geschlos­ sene Räume hineinzutransportieren. Hierbei läßt sich die Menge der Energie auf einfache Art und Weise re­ geln. Die zur Durchführung des Verfahrens notwendige Einrichtung ist relativ einfach und besteht im wesentli­ chen aus bekannten Bauelementen und Baugruppen. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist insbesondere als Zündeinrichtung für Verbrennungsmotoren gut geeig­ net. Bei ihrer Anwendung eleminiert sie die mit den herkömmlichen Zündkerzen verbundenen Schwierig­ keiten und bewirkt ein verbessertes Abgas.

Eine Einrichtung nach der Erfindung ist als Schaltbild dargestellt. Eingesetzt als Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges beispiels­ weise wird ein Spannungswandler mit der Bordspan­ nung des Bordnetzes versorgt. Der Spannungswandler liefert die Energie für einen angeschlossenen Hochfre­ quenzgenerator, der seinerseits über einen Leistungs­ schalter geschaltet wird. Am Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist eine Elektrode, die wie eine Zündker­ ze in den Verbrennungsraum des Motors hineinragt, wobei direkt auf die Elektrode ein Resonator aufgesetzt ist. Dies ist erforderlich, weil ein Kabelanschluß am Aus­ gang des Resonators nicht möglich ist, da an dieser Stel­ le so hohe Feldstärke herrscht, daß dort das Plasma entstehen würden. Um ein Plasma entstehen zu lassen, wird der Hochfrequenzgenerator vom Leistungsschal­ ter eingeschaltet, wobei der Leistungsschalter einen Steuerimpuls erhält z. B. von der Einrichtung der Ma­ schine, die auch bisher den Impuls für die Zündung ge­ geben hat.

Es ist zur Erreichung eines günstigen Wirkungsgrades günstig, den Hochfrequenzgenerator mit hoher Span­ nung zu betreiben, weil hierdurch einerseits die Verlust­ wärme verringert wird und hierdurch andererseits eine höhere Hochfrequenz-Ausgangsspannung am Ausgang des Generators erreicht wird, die ja durch den Resona­ tor auf noch höhere Werte transformiert werden muß. Hierbei setzt der Spannungswandler die ja meist niedri­ gere Bordspannung auf höhere Werte hinauf. Im darge­ stellten Fall handelt es sich um einen frei schwingenden Gegentaktwandler.

Um den Leistungsbedarf gering zu halten, wird diese Gleichspannung dem Hochfrequenzgenerator nur im Moment der Zündung zugeführt. Dies übernimmt ein Leistungstransistor (Leistungsschalter in der Darstel­ lung), der von einem Steuerimpuls geschaltet wird. Der Steuerimpuls kommt von der bereits im Kraftfahrzeug für die herkömmliche Zündung enthaltenen Einrichtung.

Der Hochfrequenzgenerator arbeitet als Leistungsos­ zillator. Er läßt sich so konstruieren, daß er selbst die Leistung durch erhöhte Mitkopplung im nicht angepaß­ ten Lastfall (kurz bevor das Plasma zündet) erhöht und somit die Plasmazündung beschleunigt. Diese aus dem Hochfrequenzgenerator gewonnene Ausgangsspan­ nung reicht jedoch nicht aus, um die lonisation in Gang zu setzen. Der nachgeschaltete Resonator übernimmt daher die Aufgabe, diese Spannung auf den notwendi­ gen hohen Pegel zu bringen. Dazu muß der Resonator eine hohe Güte aufweisen. Es ist hierbei zu beachten, daß die Größe eines Resonators mit höher werdender Frequenz kleiner wird. Wird also ein kleiner Resonator angestrebt, so muß mit hoher Frequenz gearbeitet wer­ den.

Zur besseren Verständlichkeit des Schaltbildes sind dort einzelne Bauelemente mit Bezugszahlen versehen, wobei in der beigefügten Bezugszahlenliste die Nen­ nung der entsprechenden Bauteile aufgeführt ist.

Claims (8)

1. Verfahren zur Einbringung thermischer Energie in einen mit einem Medium gefüllten Raum, da­ durch gekennzeichnet, daß im Medium selbst mit­ tels eines Hochfrequenzfeldes ein Plasma gezündet und dessen Energie über die Energie und/oder Fre­ quenz des Hochfrequenzfeldes geregelt wird.

2. Verfahren zum Betrieb eines thermische Energie benötigenden Motors, dadurch gekennzeichnet, daß in einem im Motor benutzen Medium mittels eines Hochfrequenzfeldes ein Plasma gezündet und dessen Energie über die Energie und/oder Fre­ quenz des Hochfrequenzfeldes geregelt wird in Ab­ hängigkeit von der in das Medium einzubringenden thermischen Energie.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Zündung eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeich­ net, daß das Plasma im Verbrennungsraum des Mo­ tors zum gewünschten Zündzeitpunkt mit einer für die gewünschte Verbrennungsqualität notwendi­ gen Temperatur und Dauer gezündet wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß in den mit thermischer Energie zu versorgenden Raum eine mit einem un­ mittelbar angekoppelten Resonator abgestimmte Elektrode hineinragt, wobei Elektrode und Resona­ tor mit einem von einem Leistungsschalter geschal­ teten Hochfrequenzgenerator verbunden sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4 als Zündeinrich­ tung eines Verbrennungsmotors, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektrode in den Verbrennungs­ raum hineinragt.

6. Einrichtung mindestens nach Anspruch 5, da­ durch gekennzeichnet, daß jedem Verbrennungs­ raum eine Elektrode zugeordnet ist, wobei alle Elektroden und die zugeordneten Resonatoren mit einem für alle gemeinsamen Hochfrequenzgenera­ tor verbunden sind.

7. Einrichtung mindestens nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnert, daß zwischen Resonator und Elektrode einerseits und Hochfrequenzgenera­ tor andererseits eine schaltbare Trenneinrichtung vorgesehen ist, wobei von der Steuereinrichtung für die Zündung und die Zündfolge sowohl die je­ weilige Trenneinrichtung als auch der Leistungs­ schalter für den HF-Generator geschaltet wird.

8. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprü­ che 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Resonator/Elektrode-Einheit ein Hochfrequenzge­ nerator mit einem zugeordneten Leistungsschalter vorgesehen ist, wobei jeder Leistungsschalter über einen Steuerimpuls von der Steuereinrichtung für die Zündung und Zündfolge geschaltet wird.