DE60127672T2

DE60127672T2 - Verbrennungsverbesserungssystem und methode

Info

Publication number: DE60127672T2
Application number: DE60127672T
Authority: DE
Inventors: Szymon Princeton SUCKEWER; Artur Peter Franklin Park SUCKEWER
Original assignee: Knite Inc
Current assignee: Knite Inc
Priority date: 2000-06-08
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2021-06-09
Also published as: ATE358770T1; US20020017271A1; JP2004510087A; AU2001268256A1; US6745744B2; JP2013092152A; JP5248731B2; EP1295022B1; WO2001098643A2; WO2001098643A9; CN100595425C; DE60127672D1; WO2001098643A3; CN1444694A; EP1295022A2

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht den Vorzug des früheren Anmeldetages der US-Provisional-Anmeldung Nr. 60/210,243 , angemeldet am 08. Juni 2000, welche hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
Hintergrund der Erfindung
Es wird angenommen, dass ein Hinzufügen von Wasserstoff zu einem Brennstoff bewirkt, dass ein Motor sauberer läuft, da von Wasserstoff angenommen wird, dass er eine vollständige Verbrennung fördert. Dies scheint beispielsweise in: Heywood, J.B. in Internal Combustion Engine Fundamentals (McGraw Hill, 773-774, 1998), Das, L.M. in dem Artikel „Hydrogen engines: a view of the Aast and a look into the future" (Int. J. Hydrogen Energy, Ausgabe 15, Seite 425, 1990) und DeLuchi, M.A. in dem Artikel "Hydrogen; and evaluation of fuel storage, performance, safety environmental impacts, and costs" (Int. J. Hydrogen Energy, Ausgabe 14, Seite 81, 1989) beschrieben zu sein. Ein Problem bei diesen Beispielen war, dass sie nicht explizit beschrieben haben, wie Wasserstoff effizient on-board in einer kompakten Einrichtung erzeugt werden kann. Alternative Ansätze zum Speichern von Wasserstoff on-board sind nicht praktikabel, da sie Hochdruckgefäße, kryogene Behälter, wenn der Wasserstoff als komprimiertes Gas oder Flüssigkeit gespeichert werden soll, oder einen großen Container, wenn der Wasserstoff als ein Hydrid gespeichert werden soll, benötigen.
Von verschiedenen Ansätzen wird angenommen, dass sie für eine on-board-Produktion von Wasserstoff weiter verfolgt wurden. Einer dieser Ansätze scheint eine Elektrolyse von Wasser zu verwenden, dass heißt ein Aufbrechen eines Wassermoleküls in Wasserstoff und Sauerstoff, und Einführen des Wasserstoffes in einen Verbrennungsmotor, wie es von Munday, J.F. in „Hydrogen and Oxygen System for Producing Fuel Engines", US Patent Nr. 5,143,025 beschrieben wurde. Jedoch wird angenommen, dass die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse um eine Größenordnung weniger effizient ist als durch Plasma-Einrichtungen. Wasserstoff kann ebenfalls on-board durch eine Reaktion von Wasser mit festem Kohlenstoff erzeugt werden, indem elektrischer Strom zwischen den Kohlenstoff-Elektroden geführt wird, wie es in Dammann, W.A., „Methods and Means of Generating Gas from Water for use as Fuel," US Patent Nr. 5,159,900 beschrieben wird, wobei Kohlenstoff zum Ausbilden von CO und H₂ oxidiert wird. Dieser Ansatz kann unpraktisch sein, und zwar aufgrund der kurzen Dauer und der hohen Stromanforderung. Alternativ schlagen Greiner, L., und Moard, D.M., „Emissions Reduction System for Internal Combustion Engines" in US Patent Nr. 5,207,185 die Verwendung eines Brenners vor, welcher einen Teil des Kohlenwasserstoff-Brennstoffes verwendet, um einen anderen Teil zum Erzeugen von Wasserstoff zu reformieren. Der Wasserstoff wird dann für eine Einbringung in einen Verbrennungsmotor mit dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff gemischt. Ein praktikablerer Ansatz scheint von Breshears et al. (siehe Artikel von Breshears, R., Cotrill, H. und Rupe, T. in „Partial Hydrogen Injection into Internal Combustion Engines", Proc. EPS 1^st Symposium On Low Pollution Power Systems Development, Ann Arbor, MI 1973) begangen zu werden. Sie schlagen eine direkte Fraktion von Benzin aus dem Fließweg zu dem Motor und führen des Benzins durch einen thermalen Konverter vor, in welchem es dann zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Gases von einem Dampf reformiert wird.
Es wurde ein Ansatz für eine on-board Herstellung von Wasserstoff für eine Verbrennungsmotor-Brennstoffanreicherung entwickelt. Dieser Ansatz verwendet ein relativ kleines Plasmatron (von dem angenommen wird, dass es die Größe einer Weinflasche hat) zum Ermöglichen einer Konversion eines weiten Bereiches von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen in wasserstoffreiches Gas ohne die Verwendung eines Katalysators, wie es in den folgenden Artikeln aufgezeigt wird: Rabinovich, A., Cohn, D.R., und Bromberg, L., in „Plasmatron Internal Combustion Engine System for Vehicle Pollution Reduction" in „Int. J. Vehicle Design, Ausgabe 15, Seite 234, 1995; Cohn, Dr.R., Rabino eich, A., und Titus, C.H. in „Onboard Plasmatron Operation Generation of Hydrogen for Extremely Low Emission Vehicles with Internal Combustion Engines", in Int. J. Vehicle Design, Ausgabe 17, Seite 550, 1996; Cohn, D.R., Rabinovich, A., Titus, C.H. und Bromberg, L., „Near Term Possibilities for Extremely Low Emission Vehicles using On-Board Plasmatron Generation of Hydrogen" in Int. J. Hydrogen Energy, Ausgabe 22, Seite 715, 1997; Cohn, D.R., Rabinovich, A., Titus, C. "Rapid Response Plasma Fuel Converter Systems" in US Patent Nr. 5,887,554 , 1999. Ein Verbrennungsmotor wird zum Empfangen des wasserstoffreichen Gases von dem Plasmatron gekoppelt. Von dem Plasmatron wird angenommen, dass es Plasma durch Erhitzen eines elektrisch leitfähigen Gases entweder durch eine Bogenentladung, eine induktive Entladung mit hoher Frequenz oder eine Mikrowellen-Entladung erzeugt. In einem Plasmatron-Plasma ist die Reaktionsgeschwindigkeit bei Temparaturen zwischen 5000 und 10000 K für eine partielle Oxidation/Konvertation eines Kohlenwasserstoffes und Luft in ein wasserstoffreiches Gas hoch. Das Verfahren, welches von Bromberg, L., Cohn, D., Rabinovich, A., Sama, J., Virolen, J., in dem Artikel „Compact plasmatron-boosted hydrogen generation technology for vehicular applications" (Inter. Journal of Hydrogen Energy, Ausgabe 24, Seiten 341-350, 1999) beschrieben wurde kann wie folgt dargestellt werden: 2C_nH_m + nO₂ + 4nN₂ → 2nCO + mH₂ + 4nN₂ (1)wobei m und n die Anzahl der Kohlenstoff- und Wasserstoffatome in dem Kohlenwasserstoffmolekül darstellen.
Das Plasmatron ist als einer von vielen Wegen zum Herstellen eines wasserstoffreichen Gases für Fahrzeuge sehr interessant. Es sollte möglich sein, beinahe unverzüglich wasserstoffreiches Gas herzustellen, welches bei dem Starten eines Fahrzeuges verwendet werden kann. Während des Fahrzyklusses können rasche Änderungen des Flusses von wasserstoffreichem Gas erreicht werden, indem Plasmatron-Parameter wie beispielsweise Energie, Eingabe, Flussrate, Zusammensetzung des erzeugten Gases etc. verändert werden. Obgleich das Plasmatron bei Fahrzeug-Anwendungen vorteilhaft sein kann, wird angenommen, dass seine Größe eine praktische Anwendung verhindert.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein System zum Zuführen von Brennstoff durch eine Zündquelle bereit. Das erfindungsgemäße System stellt eine Zündquelle bereit, die eine Plasma-Zündeinrichtung verwendet. Die Plasma-Zündeinrichtung, welche eine Anordnung zum Zuführen von Brennstoff zu einer Zündquelle aufweist, umfasst ferner eine Dissoziationseinrichtung für Brennstoff oder ein Luft- und Brennstoffgemisch (Luft/Brennstoff), die einen Verbrennungszyklus verbessert. Die vorliegende Erfindung erzielt diese Verbesserung, indem die physikalische Struktur der Luft/Brennstoff-Mischung, die in die Kammer einer Verbrennungskammer eintritt, beeinflusst wird. Die vorliegende Erfindung stellt ein Brennstoffzuführungssystem bereit, das Brennstoff in der Verbrennungskammer dissoziiert. Die vorliegende Erfindung kann Brennstoff oder eine Luft/Brennstoff-Mischung zum Verbessern der Qualität des Brennstoffes für die Verbrennung dissoziieren. Die Dissoziation des Brennstoffes kann eine Hydrierung des Brennstoffes oder der Luft/Brennstoff-Mischung umfassen. Die vorliegende Erfindung kann Brennstoff dissoziieren und ferner den Brennstoff zünden. Die Dissoziierung und Zündung des Brennstoffes kann bei dem erfindungsgemäßen System durch eine einzige Zündquelle erreicht werden. Die Zündquelle kann eine Hochenergie-Zündquelle sein, die ein kurzes Zeitintervall zum Erzeugen und Bewegen eines Plasmas aufweist. Die vorliegende Erfindung 1 stellt ferner ein Brennstoffzuführungssystem bereit, dass eine spezielle Steuerung der Qualität und Quantität der einer Verbrennungskammer gelieferten Brennstoff/Luft-Mischung ermöglicht. Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Brennstoffsystem mit direkter Einspritzung bereit, dass eine einzige Komponente für sowohl die Dissoziierung als auch die Zündung des Brennstoffes, der Luft/Brennstoff-Mischung oder einer brennbaren Mischung verwendet. Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein System bereit, welches die Raumanforderungen für die Brennstoffzuführung in einem Motorabschnitt vermindert.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzuführungssystem bereit. Das System weist eine Zündeinrichtung in der Nähe eines Verbrennungsbereiches auf. Die Zündeinrichtung umfasst eine erste elektrisch leitfähige Oberfläche, die von einer zweiten elektrisch leitfähigen Oberfläche zum Ausbilden einer Lücke in direkter Kommunikation mit dem Verbrennungsbereich beabstandet ist. Die Zündstoffzuführung liefert der Lücke zumindest einen Brennstoff oder eine Luft/Brennstoff-Mischung. Eine Steuereinrichtung liefert zumindest einen elektrischen Puls zwischen der ersten leitfähigen Oberfläche und der zweiten elektrischen Oberfläche, der zumindest den Brennstoff oder die Luft/Brennstoff-Mischung, welcher bzw. welche die Entladungslücke passiert, dissoziiert.
Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzuführungssystem bereit. Das System weist eine Zündeinrichtung in der Nähe eines Verbrennungsbereiches auf. Die Zündeinrichtung umfasst ein Gehäuse, eine erste elektrisch leitfähige Oberfläche, eine zweite elektrisch leitfähige Oberfläche, die von der ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche zum Ausbilden einer Entladungslücke beabstandet ist. Die zweite elektrisch leit-fähige Oberfläche weist eine zweite Länge auf. Die kürzere der ersten und zweiten Länge definiert eine Entladungslückenlänge. Die kürzeste Distanz zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche und der zweiten elektrisch leitfähigen Oberfläche definiert eine Entladungslückenbreite. Das Verhältnis der Entladungslückenbreite zu der Entladungslückenlänge ist größer als 1 zu 3. Eine Brennstoffzuführung ist wirksam mit der Zündeinrichtung verbunden, um der Entladungslücke zumindest einen Brennstoff oder eine Luft/Brennstoff-Mischung zu liefern. Eine Steuereinrichtung stellt zumindest einen elektrischen Puls zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche und der zweiten elektrisch leitfähigen Oberfläche bereit.
Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Brennstoffzuführungssystem bereitgestellt. Das Brennstoffzuführungssystem umfasst eine Zündeinrichtung in der Nähe eines Verbrennungsbereiches. Die Zündeinrichtung umfasst eine erste elektrisch leitfähige Oberfläche, die von einer zweiten elektrisch leitfähigen Oberfläche zum Ausbilden einer Entladungslücke, die in direkter Kommunikation mit dem Verbrennungsbereich steht, beabstandet ist. Ein Isolator weist eine in der Entladungslücke angeordnete Oberfläche auf. Die Entladungslücke weist einen Initiierungsbereich auf, und der Isolator weist eine Oberfläche auf, die in der Entladungslücke angeordnet ist, die zumindest einen Abschnitt des Initiierungsbereiches bereitstellt. Der Isolator weist zumindest einen Abschnitt einer in der Entladungslücke angeordneten Oberfläche auf. Eine Brennstoffzuführung liefert der Entladungslücke zumindest einen Brennstoff oder eine Luft/Brennstoff-Mischung. Ferner wird mit dem System eine Steuereinrichtung bereit gestellt.
Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzuführungssystem bereit. Das System umfasst eine mit dem Verbrennungsbereich gekoppelte Zündeinrichtung. Die Zündeinrichtung umfasst ein Gehäuse mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt, die entlang einer zentralen Längsachse angeordnet sind, eine Elektrode, die sich entlang der zentralen Längsachse erstreckt, und weist eine erste elektrisch leitfähige Oberfläche den in der Nähe des zweiten Abschnittes des Gehäuses und eine zweite elektrisch leitfähige Oberfläche auf, die in der Nähe des zweiten Abschnittes des Gehäuses angeordnet ist und von der ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche zum Ausbilden einer Entladungslücke beabstandet ist, sowie eine Brennstoffzuführung zum Liefern von zumindest einem Brennstoff oder einer Luft/Brennstoff-Mischung an die Entladungslücke. Das System umfasst eine Steuereinrichtung, die zumindest einen elektrischen Puls zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche und der zweiten elektrisch leitfähigen Oberfläche bereitstellt.
Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel weist eine Zündeinrichtung ein Gehäuse mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt, einer ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche in der Nähe des zweiten Abschnittes des Gehäuses und eine zweite elektrisch leitfähige Oberfläche in der Nähe des zweiten Abschnittes des Gehäuses auf und die zum Ausbilden einer Entladungslücke beabstandet von der ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche ist. Die Entladungslücke weist einen Entladungs-Initiierungsbereich auf. Zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt erstreckt sich eine Fluid-Passage, wobei die Fluid-Passage in Kommunikation mit der Entladungslücke steht. Ein Isolator weist eine in der Entladungslücke angeordnete Oberfläche auf.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt die vorliegende Erfindung eine Zündeinrichtung bereit. Die Zündeinrichtung weist ein Gehäuse mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt auf, die entlang einer zentralen Längsachse angeordnet sind. Entlang der zentralen Längsachse erstreckt sich eine Elektrode und weist eine erste Oberfläche in der Nähe des zweiten Abschnittes des Gehäuses und eine zweite elektrisch leitfähige Oberfläche in der Nähe des zweiten Abschnittes des Gehäuses auf, die zum Ausbilden einer Entladungslücke beabstandet von der ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche ist. Eine Fluid-Passage erstreckt sich zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt, wobei die Fluid-Passage von der Längsachse beabstandet ist und in Kommunikation mit der Entladungslücke steht.
Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Dissoziieren von Brennstoff in einem Verbrennungssystem bereit. Das Verbrennungssystem weist einen Verbrennungsbereich, eine wirksam mit dem Verbrennungsbereich verbundene Brennstoffzuführung und eine Zündeinrichtung mit einer ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche und einer zweiten elektrischen Oberfläche auf, die zum Ausbilden einer Entladungslücke von der ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche beabstandet ist. Das Verfahren umfasst ein Anordnen der Zündeinrichtung derart, dass die Entladungs lücke in direkter Kommunikation mit dem Verbrennungsbereich steht, und ein Dissoziieren von zumindest dem Brennstoff oder der Luft/Brennstoff-Mischung durch die Entladungslücke.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ionisieren von zumindest dem Brennstoff oder der Luft/Brennstoff-Mischung für ein Verbrennungssystem bereit. Das Verbrennungssystem weist einen Verbrennungsbereich, eine mit dem Verbrennungsbereich wirksam verbundene Brennstoffzuführung und eine Zündeinrichtung mit einer ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche und einer zweiten elektrisch leitfähigen Oberfläche auf, die von der ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche zum Ausbilden einer Entladungslücke beabstandet ist. Das Verfahren umfasst ein Anordnen der Zündquelle derart, dass die Entladungslücke in direkter Kommunikation mit dem Verbrennungsbereich steht, und ein Ionisieren des Fluids in der Entladungslücke.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Zünden von zumindest einem Brennstoff oder einer Luft/Brennstoff-Mischung in einem Verbrennungsbereich mit einer Einrichtung mit zumindest einer zentralen Elektrode, die entlang einer Längsachse angeordnet ist und einer zwischen der zumindest einen Elektrode und der anderen Elektrode ausgebildeten Entladungslücke bereit. Die Entladungslücke ist um die Zentralelektrode angeordnet. Das Verfahren umfasst ein Verteilen des zumindest einen Brennstoffs oder der Luft/Brennstoff-Mischung in der Entladungslücke und ein Erzeugen zumindest eines elektrischen Pulses über die Entladungslücke derart, so dass zumindest der Brennstoff oder die Luft/Brennstoff-Mischung verbrannt und in Bezug auf die Längsachse radial nach außen projiziert wird.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Zünden von zumindest einem Brennstoff oder einer Luft/Brennstoff-Mischung in einem Verbrennungssystem bereit. Das Verbrennungssystem weist einen Verbrennungsbereich, eine wirksam mit dem Verbrennungsbereich verbundene Brennstoffzuführung und eine Zündeinrichtung auf, die eine erste elektrisch leitfähige Oberfläche und eine zwei te elektrisch leitfähige Oberfläche, die von der ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche beabstandet ist, aufweist. Das Verfahren umfasst ein Leiten eines elektrischen Pulses einer ersten Spannung mit einem ersten Strom an die erste elektrisch leitfähige Oberfläche und eine zweite elektrisch leitfähige Oberfläche, wobei die erste elektrisch leitfähige Oberfläche eine erste Länge aufweist und die zweite elektrisch leitfähige Oberfläche eine zweite Länge aufweist, wobei die kürzere der ersten und zweiten Länge eine Entladungslückenlänge definiert, wobei der kürzeste Abstand zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche und der zweiten elektrisch leitfähigen Oberfläche eine Entladungslückenbreite definiert, wobei ein Verhältnis der Entladungslückenbreite zu der Entladungslückenlänge größer als 1 zu 3 ist, und das Verfahren umfasst ein Leiten eines zweiten elektrischen Pulses, dessen Spannung geringer oder gleich der ersten Spannung ist, mit einem zweiten Strom, der größer oder gleich dem ersten zwischen der Entladungslücke ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die beigefügten Zeichnungen, welche hierdurch aufgenommen werden und einen Teil dieser Beschreibung bilden, veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und dienen zusammen mit der allgemeinen oberhalb gegebenen Beschreibung und der detaillierten, nachfolgenden Beschreibung der Erklärung der Merkmale der Erfindung.
1 veranschaulicht eine Querschnitt-Darstellung einer Einrichtung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, die Brennstoff dissoziiert und eine mit Wasserstoff angereicherte brennbare Mischung zündet.
2 veranschaulicht ein Verbrennungs-Steigerungs-System eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
3 ist eine vergrößerte Darstellung, die eine Erklärung des in 1 veranschaulichten Prozesses der Brenn stoffanreicherung veranschaulicht.
4 ist eine schematische Darstellung der Einrichtung zum Anreichern mit Wasserstoff/Zünden gemäß 1 in Verbin dung mit einer Steuerschaltung, die die Einrichtung zum Anreichern mit Wasserstoff/Zünden betreibt.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels Die 1 und 2 veranschaulichen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungs-Verbesserungs-Systems. Wie es in 2 gezeigt ist, weist das System ein Brennstoffzuführungssystem 100 mit einem Motor 200, Zündeinrichtungen 300, 400, einer Steuereinheit 500 und einer Brennstoffzuführung 600 auf, die entweder Brennstoff oder eine Mischung aus Luft und Brennstoff unter Druck pumpen kann. Der Motor 200 kann entweder ein Zweitakt- oder Viertakt-Benzin-Motor oder ein Dieselmotor sein. Der Motor 200 kann auch ein Benzin- oder Dieselmotor mit direkter Einspritzung vom Typ Zweitakt- oder Viertaktmotor sein. Im Falle einer Diesel-Anwendung stellt das System eine Wasserstoffanreicherung zum Verbessern der Verbrennung bereit. Das System arbeitet in Verbindung mit einem Verbrennungsbereich, welcher in diesem Falle eine Verbrennungskammer 210 eines Zylinders 220 des Motors 200 ist. Obwohl der Verbrennungsbereich vorzugsweise in der Kammer angeordnet ist, kann der Verbrennungsbereich ein beliebiger Bereich sein, bei welchem eine Verbrennung gewünscht wird, wie beispielsweise in einem Ramjet-Triebwerk, einer Altöl-Verbrennungsanlage, einem Strahltriebwerk oder in einer beliebigen Umgebung, bei welcher eine Verbrennung gewünscht wird.
Der Verbrennungsbereich oder die Kammer 210 weist zumindest eine Zündeinrichtung 300 auf, die von einer Steuereinrichtung 500 gesteuert wird. Die Steuereinrichtung 500 ist vorzugsweise mit einem programmierbaren Computer bereitge stellt, der zum Bestimmen von zumindest einer Zündungs- oder Brennstoffzuführungsstrategie für den Motor 200 abgetastete Eingaben aufnimmt. Diese Strategie kann ein Dissoziieren eines Brennstoffes oder einer Brennstoff- und Luft-(Luft/Brennstoff) Mischung zum Herstellen von Wasserstoff durch eine Zündeinrichtung und nachfolgend oder im wesentlichen zeitgleich ein Bewirken einer Zündung von zumindest einem Teil dieser Mischung durch eine andere Zündeinrichtung 400 umfassen. Vor zugsweise kann die Steuereinrichtung 500 eine einzige Zündeinrichtung zum Dissoziieren von von der Zündeinrichtung 300 geliefertem Brennstoff oder einer Luft/Brennstoff-Mischung in eine wasserstoffreiche Mischung steuern, welche zum Bereitstellen einer brennbaren Mischung, die von der gleichen Zündeinrichtung 300 gezündet wird, mit einer zusätzlichen Luft/Brennstoff-Mischung kombiniert werden kann.
Die Zündeinrichtung 300 kann ferner von einer Brennstoffzuführung 600 mit zumindest einem Brennstoff oder einer Luft/Brennstoff-Mischung beliefert werden. Die Zündeinrichtung kann dissoziieren, zünden oder dissoziieren und zünden. Die Brennstoffzuführung 600 kann eine Pumpe 610 umfassen, die Brennstoff aus einem Brennstofftank 620 saugt, um den Brennstoff der Zündeinrichtung 300 zuzuführen. Alternativ kann die Brennstoffzuführung 600 auch komprimierte Luft oder eine Mischung aus komprimierter/unkomprimierter Luft und Brennstoff der Zündeinrichtung 300 zum Dissoziieren und/oder Verbrennen einer brennbaren Mischung zuführen. Der Brennstoff kann dem Verbrennungsbereich entweder durch dieselbe Zündeinrichtung 300 zugeführt werden, oder indem der Brennstoff der Zündeinrichtung 300 von einen beliebigen Punkt in dem Verbrennungsbereich zugeführt wird, wie beispielsweise durch Sprühen des Brennstoffes in den Verbrennungsbereich. Bei dem Brennstoff kann es sich um Brennstoff vom Typ Kohlenwasserstoffe oder andere brennbare Materialien einschließlich Materialien, die einen Sauerstoffträger als Teil ihrer physikalischen Strukturen umfassen, handeln. Vorzugsweise ist der Brennstoff Benzin oder Erdgas für einen Motor mit Funkenzündung.
Die Zündeinrichtung 300 ist in der Nähe des Verbrennungsbereiches angeordnet. Die Zündeinrichtung 300 ist in der Nähe der Verbrennungskammer angeordnet, so dass ein Betrieb der Zündeinrichtung 300 den Zustand des bzw. der in die Verbrennungskammer eintretenden Brennstoffs und/oder Luft/Brennstoff-Mischung beeinflusst. Vorzugsweise ist die Zündeinrichtung 300 in der Nähe der Verbrennungskammer angeordnet, und zwar mit einer mechanischen Kopplung an einem Zylinderkopf des Motors 200, beispielsweise mit einer Integralkopplung oder beispiels weise einer Gewindekopplung 380. In der 1 umfasst die Zündeinrichtung 300 ein Gehäuse, das ein erstes Gehäuseteil 350 umfasst, das mit einer mechanischen Kopplung, wie beispielsweise einem Bolzen 361 mit einem Hochtemperatur- und Hochdrucksiegel 354, das zwischen den zwei Gehäuseteilen angeordnet ist, mit einem zweiten Gehäuseteil 352 gekoppelt ist. Das Gehäuseteil kann entlang einer Achse angeordnet sein. Hier kann die Achse entlang oder auf der Längsachse A-A sein. Vorzugsweise ist das Gehäuse symmetrisch zu einer Achse angeordnet, bei welcher es sich um die Längsachse A-A handeln kann oder nicht.
Ein erster Abschnitt des zweiten Gehäuseteiles 352 bildet eine Elektrode oder eine erste elektrisch leitfähige Oberfläche 302. Die erste elektrisch leitfähige Oberfläche 302 weist ferner ein helixförmiges Gewinde 380 auf, das mit einem entsprechenden Gewinde zusammen passt, das in dem Zylinderkopf angeordnet ist, welcher eine elektrische Masse bereitstellt, die mit der Zündeinrichtung 300 zu verbinden ist. Vorzugsweise sind die erste elektrisch leitfähige Oberfläche und die zweite elektrisch leitfähige Oberfläche wirksam mit einem Koaxial-Kabel verbunden, um eine elektrische Masse oder einen Stromrückfluß bereitzustellen. Ein Isolator 340, und zwar vorzugsweise ein elektrischer Isolator, ist in dem Gehäuse angeordnet, wobei sich eine Zentralelektrode oder eine zweite elektrisch leitfähige Oberfläche 304 durch den Isolator 340 erstreckt. Die Zentralelektrode kann entlang einer Zentralachse A-A parallel zu der Zentralachse oder einem Abschnitt der Zentralachse angeordnet sein. Es sei angemerkt, dass die Zentralelektrode oder die zweite elektrisch leitfähige Oberfläche 304 in einer koaxialen Anordnung mit der ersten elektronisch leitfähigen Oberfläche 302 angeordnet ist und dass mehr als eine Zentralelektrode um die Zentralachse A-A der Zündeinrichtung 300 angeordnet sein kann. Alternativ können eine oder sogar zwei oder mehr Elektroden mit verschiedenen Versätzen relativ zu der Zentralachse A-A angeordnet sein. Darüber hinaus kann jede Elektrode eine Mehrzahl von sich von dieser erstreckenden Stäben aufweisen.
Obwohl der Isolator 340 mit einem radialen Vorsprungsabschnitt 342 gezeigt ist, kann die Zündeinrichtung 300 auch ohne einen solchen Vorsprungsabschnitt ausgebildet sein, solange eine ausreichende Lücke zwischen dem Isolator 340 und dem Gehäuse verbleibt, um ein Fließen von Brennstoff von dem Einlass 356 zu der Entladungslücke 306 zu ermöglichen.
Wie es in den 1 und 3 gezeigt ist, ist eine erste elektrisch leitfähige Oberfläche 302 von einer zweiten elektrisch leitfähigen Oberfläche 304 zum Ausbilden einer Entladungslücke 306 beabstandet. Die Entladungslücke 306 steht in direkter Kommunikation mit dem Verbrennungsbereich. Insbesondere sind die Entladungslücke 306 und die Verbrennungskammer derart angeordnet, dass ein beliebiges Medium in der Entladungslücke 306 durch einen Ausgang der Entladungslücke 306 in die Verbrennungskammer fließen kann, und zwar ohne jegliche positive mechanische Behinderung wie beispielsweise ein Rückschlagventil. Jedoch können zwischen der Entladungslücke 306 und der Verbrennungskammer Zwischenpassagen oder -kammern verwendet werden. Die Entladungslücke 306 umfaßt einen Entladungs-Initiierungsbereich um den allgemeinen Bereich 309, welcher einen Bereich mit der geringsten Durchschlagsfestigkeit zwischen den elektrisch leitenden Oberflächen darstellt. Der Entladungs-Initiierungsbereich um das allgemeine Gebiet 309 kann bei jedem Bereich zwischen der ersten elektronisch leitfähigen Oberfläche 302 und einer Oberfläche des Isolators 340 und der zweiten elektrisch leitfähigen Oberfläche 304 gebildet sein. Bei einigen Anwendungen kann eine freiliegende Oberfläche des Isolators 340 zumindest einen Abschnitt des Entladungs-Initiierungsbereiches um das allgemeine Gebiet 309 bilden.
Eine Öffnung 356 kann mit dem ersten oder dem zweiten Gehäuseteil gekoppelt sein. Die Öffnung 356 ermöglicht, dass Brennstoff von einer Brennstoffzuführung 600 mit der Entladungslücke 306 in Verbindung tritt. Die Öffnung 356 umfasst einen Eintrittsabschnitt 360 an dem Gehäuse. Der Eintrittsabschnitt kann mit einer Brennstoffzuführung 600, wie beispielsweise einem Brennstoffinjektor, verbunden sein. Somit steht die Brennstoffzuführung 600 zum Zuführen von Brennstoff 359 über eine Fluid-Passage 358 in Fluid-Kommunikation mit der Entladungslücke 306. Obwohl die Passage als im Allgemeinen symmetrisch gezeigt ist, kann die Passage in Bezug auf die zentrale Achse A-A versetzt sein. Darüber hinaus kann die Passage 358 ferner an oder bei lediglich einem bestimmten Abschnitt entlang der Zentralachse A-A angeordnet sein.
Zumindest ein Abschnitt 309 des Isolators 340 kann aus einem porösen Material bestehen, um eine Fluid-Kommunikation mit der Entladungslücke 306 zu ermöglichen. Der Isolator 340 kann ein Halbleiter- oder ein dielektrisches Material umfassen. Der Isolator 340 umfasst vorzugsweise eine polarisierbare Keramik, jedoch können auch andere Materialien wie beispielsweise gegossenes Aluminium, bearbeitbare Glaskeramik, stabilisiertes Zirkoniumoxid, schwerschmelzender Zement oder eine magnetische Art Keramik als Teil oder als der Isolator 340 verwendet werden. Vorzugsweise können die elektrisch leitfähigen Oberflächen, welche Oberflächen der Elektroden sind, Stahl, Verbundmetalle, platinierter Stahl, Platin, Kupfer, Inconel, Molybdän oder Wolfram sein. Alternativ kann die bzw. können die elektrisch leitfähige(n) Oberfläche(n) ein Hochtemperatur-Permanentmagnet-Materialien sein.
Es wurde ermittelt, dass eine bestimmte Beziehung zwischen den dimensionalen Parametern der elektrisch leitfähigen Oberflächen und dem Isolator 340 für eine effiziente Energieverwendung und für die Haltbarkeit von Materialien wichtig ist. Diese dimensionalen Parameter sind „Entladungslückenlänge" und eine „Entladungslückenbreite". Hier ist die „Entladungslückenlänge" definiert als die kleinste Länge von einer oder mehreren elektrisch leitfähigen Oberflächen, die sich von dem Entladungs-Initiierungsbereich um den allgemeinen Bereich 309 zu dem Ausgang der Entladungslücke 306 erstrecken. Die Orientierungen der Entladungslückenlänge und der Entladungslückenbreite sind definiert in Bezug auf eine Achse, die parallel oder transversal zu einer Längsachse A-A von einer oder beiden elektrisch leitfähigen Oberflächen ist.
Bei einem bevorzugten, in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird beispielsweise zunächst eine erste Länge 11 der ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche 302, die sich von dem Entladungs-Initiierungsbereich um den allgemeinen Bereich 309 zu dem Ausgang entlang einer Achse erstreckt, die ebenfalls parallel zu der Längsachse A-A ist, bestimmt. Dann wird eine zweite Länge 12 der zweiten elektrisch leitfähigen Oberfläche 304, die sich ebenfalls von dem Entladungs-Initiierungsbereich um den allgemeinen Bereich 309 zu dem Ausgang erstreckt, bestimmt. Die kürzere der beiden Längen 11 und 12 definiert die „Entladungslückenlänge".
Die „Entladungslückenbreite" ist der kürzeste Abstand zwischen der ersten elektronisch leitfähigen Oberfläche 302 und der zweiten elektronisch leitfähigen Oberfläche 304.
Es wurde ermittelt, dass in einigen Fällen ein Verhältnis von der „Entladungslückenbreite" zu der „Entladungslückenlänge" größer als ungefähr 1 zu ungefähr 3 (~1:~3) sein sollte, wobei bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Maximalwert des Verhältnisses der Entladungslückenbreite zu der Entladungslückenlänge ungefähr 3 ist.
4 veranschaulicht schematisch einen prinzipiellen Betrieb der Zündeinrichtung 300, die einen injizierten Brennstoff oder eine Brennstoff/Luft-Mischung, der bzw. die durch die Zündkerze bereitgestellt werden, zündet. Der Brennstoff 640 wird über eine Passage 358 der Entladungslücke 306 bereitgestellt, wie es oberhalb beschrieben ist. Zumindest ein elektrischer Puls mit relativ geringer Energie wird an eine der zwei elektrisch leitfähigen Oberflächen geliefert. Vorzugsweise ist der elektrische Puls eine Reihe von Pulsen mit einer hohen Wiederholungsfrequenz, mit vorzugsweise zumindest einer Größenordnung größer als die Frequenz des Verbrennungszyklus, bei welchem der Motor 200 läuft. Während des Prozesses des Hochspannungsdurchschlags wird dann aus der gasförmigen Mischung in der Entladungslücke 306 ein Plasma erzeugt. Die Anordnung des anfänglichen Gas-Durchschlagbereiches kann als der Entladungs-Initiierungs-Bereich um den allgemeinen Bereich 309 bezeichnet werden. In vielen Fällen wird die ionisierte Mi schung oder das Plasma in der Nähe der Oberfläche des Isolators 340 durch die Anwendung von schnellen elektrischen Pulsen mit geringer Energie erzeugt. Aufgrund des in dem Plasma fließenden Stromes wird in der Zündeinrichtungselektrodenstruktur ein Stromfluß erzeugt. Dieser Strom erzeugt ein magnetisches Feld, welches eine Lorentz-Kraft erzeugt, die auf den in der Entladung fließenden Strom einwirkt. Diese Kraft kann ausreichend sein, um das Plasma zu bewegen. Auf diese Weise wird das Plasma 312 durch die Lorentz-Kraft aus dem Entladungs-Initiierungsbereich um den allgemeinen Bereich zu dem Ausgang der Entladungslücke 306 bewegt. Wenn sich das Plasma 312 zum Ende der Elektroden (das heißt hin zu dem Verbrennungsbereich) bewegt, dissoziiert es die gasförmige Mischung, wodurch Wasserstoffmoleküle (H₂) und Kohlenmonoxidmoleküle (CO) erzeugt werden, wobei diese beiden in dem Plasma 312 gemäß Gleichung (1) aus Brennstoffmolekülen erzeugt werden. Damit dieser Wasserstoffanreichungsprozess effizient ist, soll der Strompuls durch das Plasma 312 ausreichend kurz sein und viele Wiederholungen aufweisen, um das Plasma 312 entfernt von dem Ausgang sende der Entladungslücke 306 der ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Oberflächen 304 zu halten.
In 1 ist ein (nicht gezeigter) Hochdruck-Brennstoffinjektor an eine Brennstoffinjektionsleitung in der Zündeinrichtung 300 gekoppelt. Der Isolator 340 ist derart konfiguriert, für einen Fluss des Brennstoffes 359 eine ausreichende Lücke zwischen dem Isolator 340 und einer externen Elektrode zu gewährleisten. Das zweite Gehäuseteil 352, das einen Teil der ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche 302 bildet, ist hermetisch gegenüber dem Isolator 340 abgedichtet.
Das zweite Gehäuseteil 352 ist an dem ersten Gehäuseteil befestigt und mit zumindest einer Hochtemperatur- und Hochdruck-Abdichtung versiegelt. Der Brennstoff 359 kann sich zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche 302 und dem Isolator 340 in dem freien Raum zwischen der zentralen und den äußeren Elektroden bei dem Ende des Isolators 340 bewegen.
Es wird zu 3 zurückgekehrt. Wenn Brennstoff 359 den freien Raum 311 zwischen den Elektroden (bei dem Ende des Iso lators) erreicht, initiiert ein Hochspannungspuls von einem Pulsgenerator 510 der Steuereinrichtung zu der Zentralelektrode eine Entladung zwischen den Elektroden. Unter bestimmten Bedingungen findet die Entladung anfänglich entlang der Oberfläche des Isolators 340 statt. Lorentz- und Thermalkräfte breiten das Plasma 312 (das heißt ionisierten Brennstoff oder eine ionisierte Luft/Brennstoff-Mischung) weg von dem Entladungs-Initiierungsbereich um den allgemeinen Bereich 309 aus. Während der Entladungsausbreitung zwischen den Elektroden ionisiert der in dem Entladungs-Initiierungsbereich um den allgemeinen Bereich 309 fließende elektrische Strom weiteren Brennstoff oder die Brennstoff/Luft-Mischung, wodurch ein Plasma 312a mit großem Volumen erzeugt wird. Es wird angenommen, dass zum Erhöhen der Produktion von Wasserstoff in der Entladungslücke 306 die dem Plasma 312 zugeführte Energie so gesteuert werden sollte, dass eine Dissoziierung gegenüber einer Herstellung eines hohen Anteils an Ionisierung bevorzugt wird, wovon angenommen wird, dass sie für eine Zündeinrichtung 300 typisch ist, die zum Erzeugen der Verbrennung verwendet wird.
Dies kann erreicht werden, indem die Energie des elektrischen Pulses vermindert wird. Plasmaparameter wie beispielsweise Temperatur, Volumen und Geschwindigkeit können durch Modifizierung von zumindest der Spannung, dem Strom und der Frequenz des zumindest einen elektrischen Pulses gesteuert werden. Dies ermöglicht einen beträchtlichen Freiraum beim Optimieren des Systems als eine Funktion des Volumens des injizierten Brennstoffes und der Wasserstoffmenge, die erzeugt wird, wenn das System als ein Wasserstoff-Generator betrieben wird. Ein zusätzlicher Parameter bei der Systemoptimierung ist das Verhältnis der Entladungslückenbreite „w" zwischen den Elektroden zu der Entladungslückenlänge der Elektroden „l" (wobei „l" die kürzeste der Längen „l1" und „l2" ist). Die beschriebenen Parameter erlauben eine Steuerung der Plasmageschwindigkeit durch Steuerung von zumindest der Energie, des Stromes und der Zeitdauer des elektrischen Pulses.
Die Zündeinrichtung 300, wie oben beschrieben, kann in zwei separaten Modi als Teil eines Brennstoffzuführungssystems betrieben werden.
Modus I
In Modus I funktioniert die Zündeinrichtung 300 lediglich als eine Brennstoffeinspritzungs- und Wasserstofferzeugungseinrichtung. Um für die Verbrennung des Brennstoffes oder der Luft/Brennstoff-Mischung zu sorgen, erfordert das System eine zweite Zündeinrichtung, wie beispielsweise Zündeinrichtung 400, um die Zündfunktion bereitzustellen.
Modus II
In Modus II funktioniert dieses System sowohl als ein Wasserstoffgenerator als auch eine Zündeinrichtung für den Brennstoff oder die Luft/Brennstoff-Mischung in der Verbrennungskammer. Das System arbeitet mit geringer Energie und elektrischen Pulsen mit hoher Wiederholungsfrequenz, wenn es als eine Wasserstofferzeugungseinrichtung betrieben wird. Die Anzahl dieser Pulse hängt von dem Volumen des erforderten injizierten Brennstoffes und der Zeitdauer tf der Pulse vor Zünden des elektrischen Pulses bei ti ab. Zur Zündzeit t_f, bei welcher t_i > t_f ist, wird der elektrische Puls mit hoher Energie von einem zusätzlichen Pulsgenerator bereitgestellt. Das System kann für die Anzahl elektrischer Pulse mit geringer Energie und hoher Frequenz, der pro Puls gelieferten elektrischen Energie und das Volumen des von dem Brennstoffinjektors (nicht gezeigt) gelieferten Brennstoffes optimiert werden.
Bei einem Fall kann die in Modus II arbeitende Zündeinrichtung 300 mit einem einzigen Puls arbeiten, wenn eine ausreichend große Menge Brennstoff oder Brennstoff/Luft-Mischung durch die Zündkerze fließt, wobei eine große (~300 mJ) Menge elektrischer Energie der Zündeinrichtung zugeführt wird. Solche großen elektrischen Pulse werden benötigt, um das Plasma 312 zu bilden, welches die entzündbare Mischung zündet. Die hier beschriebene Dissoziierung bildet vorzugsweise die Basis für die Wasserstoffanreicherung, welche einen wasserstoffreichen Brennstoff und eine wasserstoffreiche Luft/Brennstoff-Mischung für die Verbrennung erzeugt. Das mit Wasserstoff an gereicherte Plasma 312 wird verbrannt und zur Verbrennungskammer hin beschleunigt. Dieser Zustand des Plasmas 312 bestimmt die Grenze des Verhältnisses der Energie des elektrischen Pulses zu der Länge der Entladungslücke 306 zwischen den Elektroden. Ein guter Indikator für solch eine Bedingung kann sein, dass der Entladungsstrom nicht über 1/3 der Länge der Elektrode von dem Entladungs-Initiierungs-Bereich um den allgemeinen Bereich 309 der Entladungslücke 306 hinaus geht. Bei beispielsweise einer Länge einer Elektrode von ungefähr 3 mm, einer Lückenbreite von 1,2 mm und einer durchschnittlichen Geschwindigkeit des sich durch die Entladungslücke 36 bewegenden Plasmas 312 von 3 × 10⁴ cm pro Sekunde, sollte der Puls 3 Mikrosekunden nicht übersteigen.
4 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Steuereinrichtung 500 mit einer Dual-Energy-Einrichtung, die es der Zündeinrichtung 300 ermöglicht, in entweder Modus I oder Modus II zu arbeiten. Von der Dual-Energy-Einrichtung, die hier in einem vereinfachten schematischen Format gezeigt ist, wird angenommen, dass sie vorzugsweise eine Zündsteuereinrichtung, einen Multi-Channel-Timer Tr₁, einen sehr schnellen Schalter Esw, zwei Dioden, vier Kondensatoren, einen Widerstand und einen Induktor benötigt. Diese Komponenten können auch in einer einzigen Komponente enthalten sein, geteilt in separate Untereinheiten oder in Form von Schaltungen, die die für das System beschriebenen Funktionen umfassen. In Modus I sind die Kondensatoren C₃ und C₄ und der Induktor L1 Teil eines separaten Zündsystems für eine zweite Zündeinrichtung 400, bei welcher es sich auch um eine Travelling-Spark-Zündeinrichtung (TSI) handeln kann, wie es in den U.S. Patenten 5,704,321 und 6,131,542 beschrieben wurde, welche durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hier aufgenommen sind.
In Modus II stellt der elektronische Timer Tr₁ ein Signal mit einer einstellbaren Verzögerungszeit nach dem Stopp-Signal zum Schließen des elektronischen Schalters (Esw) bereit, was die Kondensatoren C₃ und C₄ _, die auf Spannung V_S geladen sind, über die Diode D1 mit den Zentralelektroden verbindet. Diese Kondensatoren stellen elektrische Pulse mit geringer Spannung und hohem Strom bereit, und zwar mit 10 bis 20 mal höherer Energie als die Energie, die von den Kondensatoren C₁ und C₂ bereitgestellt wird, um eine Verbrennungsmischung in der Verbrennungskammer zu zünden. Unter Verwendung dieser Schaltung wird ein elektrischer Puls mit geringer Energie und hoher Wiederholungsfrequenz der Zündeinrichtung bereitgestellt. Dieser Puls mit geringer Energie und hoher Wiederholungsfrequenz weist vorzugsweise einen ersten Strom und einen zweiten Strom auf, wobei die dem ersten Strom zugeordnete Spannung größer als die dem zweiten Strom zugeordnete Spannung ist, und der erste Strom ist geringer als der zweite Strom. Hier sind der erste Strom und der zweite Strom einstellbar, so dass entweder der Brennstoff oder die Luft/Brennstoff-Mischung ohne Verbrennung dissoziiert wird.
Die Rolle der Kondensatoren C₁ und C₂ ist es, die von der Zündspule bereitgestellte Energie zu erhöhen. Der Widerstand R wird verwendet, um eine Zeitkonstante der Entladungskondensatoren C₁ und C₂ an eine Bewegungszeit des Plasmas 312 in der Entladungslücke 306 anzupassen, wenn ein von dem Plasma überbrückter Abstand ungefähr 1/3 der Länge der Elektroden beträgt. Der Induktor L kann verwendet werden, um eine Übereinstimmung einer Entladungszeitkonstante der Kondensatoren C₃ und C₄ mit einer Bewegungsdauer des Plasmas 312 in der Zündeinrichtung 300 über eine Distanz, die der Länge der Elektroden entspricht (von der Oberfläche des Isolators 340 bis zum Ende der Elektroden), bereitzustellen.
Der elektronische Timer Tr₁ initiiert eine Motorsteuer-Einrichtung (nicht gezeigt), welche von einem Brennstoffinjektor Brennstoff oder eine Brennstoff/Luft-Mischung injiziert, und zwar bei oder vor einem Zeitpunkt mit Entladungen geringer Energie, um Zeit für den Brennstoff oder die Brennstoff/Luft-Mischung bereitzustellen, die Oberfläche 341 des Isolators 340 oder den Entladungs-Initiierungs-Bereich, allgemein gezeigt als 309, bei welchem der elektrische Durchschlag erfolgen kann, zu erreichen. Die Dauer der Brennstoffinjektion wird ebenfalls durch den Timer Tr₁ gesteuert, und diese ist gleich oder geringer als ungefähr die Gesamtzeitdauer sämtlicher Pul se mit geringer Energie bevor die elektrischen Pulse für die Zündung geliefert werden.
Ein Schema einer elektrischen Schaltung, die bei diesem System vorzugsweise verwendet werden kann, ist in 4 gezeigt. Eine Entladungszündeinrichtung mit geringer Induktivität und hoher Kapazität, welche Teil der Steuereinrichtung 500 ist, ist mit einer zentralen Elektrode 18 der Zündeinrichtung über die Diode D2 verbunden. Die äußere Elektrode ist geerdet. Eine Stromversorgung, welche üblicherweise eine Spannung von ungefähr 500 V bereitstellt, lädt einen großen Kondensator C4 (vorzugsweise C ≈ 2 – 3 μF) und einen kleineren Kondensator C3 (vorzugsweise C ≈ 0,2 – 0,3 μF). Beide Kondensatoren können über den elektronischen Schalter und die Diode D1 mit der Zentralelektrode verbunden sein. Die Diode D2 verhindert, dass ein hoher Strom von der Spannungsversorgung die Zündeinrichtung erreicht, und die Diode D1 schützt eine hohe Spannung von der Zündspule der Zündsteuereinrichtung vor sämtlichen Kondensatoren C₁, C₂, C₃, C₄ und der Stromversorgung.
Alternativ kann die Diode D1 durch einen Induktor (L1) ersetzt sein, und die Hochspannungsdiode D2 kann durch einen Luftspalt mit einem Peaking-Kondensator (nicht gezeigt) ersetzt sein. Die Luftlücke kann derart eingestellt werden, dass der Peaking-Kondensator auf eine ausreichend hohe Spannung geladen werden kann, um zwischen Elektroden der Zündkerze entlang der Oberfläche des Isolators (beispielsweise Keramik) durchzuschlagen.
Die Schaltung 510 der Steuereinrichtung kann Pulse mit geringer Energie mit einer höheren Wiederholungsfrequenz als eine übliche Zündschaltung bereitstellen. Vorzugsweise sollte die Schaltung 510 zumindest eine 10-f ach höhere Wiederholungsfrequenz als die Zündschaltung der TSI (wie in den U.S. Patenten 5,704,321 und 6,131,542 und in der internationalen Patentanmeldung PCT/US00/16747 mit dem Titel „IGNITION SYSTEM FOR STRATIFIED FUEL MIXTURES", angemeldet am 16. Juni 2000, die sämtliche durch Bezugnahme hier vollständig aufgenommen sind) bereitstellen.
Es wird zu 4 zurückgekehrt. Ein elektronischer Schalter (S_w) ermöglicht, dass die Kondensatoren C3 und C4 von der elektrischen Leitung getrennt werden, die zu der Zentralelektrode führt, und verbindet lediglich zu einer bestimmten Zeit t_i die Kondensatoren C3 und C4 mit dieser Leitung, um eine stärkere Entladung in der Zündeinrichtung 300 zu erzeugen und die Verbrennungsmischung zu zünden (das heißt Betriebsmodus II). Im Betriebsmodus I ist der Schalter üblicherweise geöffnet. Der Schalter sollte vorzugsweise in der Lage sein, einen elektrischen Strom von 500 bis 100 A und vorzugsweise einen Lebenszyklus von ungefähr 10⁹ ohne eine wesentliche Schädigung aushalten, wie beispielsweise ein Plasma-Schalter oder ein Krytron-Schalter.
Es werden elektrische Pulse benötigt, um den Fluß von der Brennstoffzuführung 600 zu dem Brennstoffinjektor zu initiieren, und um das Ventil des Brennstoffinjektors (nicht gezeigt) zu öffnen, welches an der Zündeinrichtung 300 befestigt ist, wie es schematisch in 4 gezeigt ist. Diese elektrischen Pulse werden mit Triggering-Pulsen der Steuereinrichtung 500 synchronisiert, welche ein Zünden der Zündeinrichtung 300 initiiert. Die Synchronisierung wird derart bereitgestellt, dass der elektrische Puls, welcher die Steuereinrichtung 500 auslöst, ebenfalls den elektrischen Puls für den Brennstoffinjektor auslöst. Der die Steuereinrichtung auslösende Puls ist um τ in Bezug auf den den Brennstoffinjektor auslösenden Puls verzögert, damit Brennstoff oder die Brennstoff/Luft-Mischung von dem Brennstoffinjektor den Bereich in der Nähe der Oberfläche des Isolators der Zündeinrichtung 300 erreichen kann, bevor ein Durchschlag des Pulses mit hoher Spannung von einer Spule mit hoher Spannung der Steuereinrichtung eintrifft. Die Verzögerungszeit τ wird für jeden einzelnen Brennstoffinjektor und jedes Zündsystem eingestellt. Dieser Sollwert kann ermittelt werden, indem die Motorleistung durch ein Dynamometer-Mapping oder ein anderes Testen überwacht wird, während die Betriebsbedingungen des jeweiligen Motors oder Fahrzeugs gemessen werden.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, sind zahlreiche Modifikationen, Abänderungen und Veränderungen an den beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich, ohne von dem Bereich und dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen. Demgemäß soll die vorliegende Erfindung durch die beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht begrenzt sein, sondern den vollen Schutzumfang haben, wie er durch die folgenden Ansprüche und Äquivalente davon definiert ist.

Claims

Ein System, aufweisend: eine Zündeinrichtung in der Nähe eines Verbrennungsbereichs, wobei die Zündeinrichtung eine erste elektrisch leitfähige Oberfläche aufweist, die von einer zweiten elektrisch leitfähigen Oberfläche beabstandet ist, so daß eine Entladungsstrecke in direkter Verbindung mit dem Verbrennungsbereich ausgebildet ist; wobei die Zündeinrichtung einen Isolator aufweist, eine Brennstoffzuführung, die zumindest einen Brennstoff oder zumindest eine Luft/Brennstoff-Mischung zu der Entladungsstrecke liefert, und eine Steuereinrichtung, die zumindest einen elektrischen Puls zwischen der ersten leitfähigen Oberfläche und der zweiten leitfähigen Oberfläche bereitstellt, wobei der zumindest eine durch die Entladungsstrecke hindurchtretende elektrische Puls zur Herstellung von Wasserstoff durch Dissoziation von zumindest einem Brennstoff oder zumindest einer Luft/Brennstoff-Mischung führt, der bzw. die durch die Entladungsstrecke hindurchtritt, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß zumindest ein Abschnitt einer Oberfläche des Isolators in der Entladungsstrecke zwischen den zwei elektrisch leitfähigen Oberflächen angeordnet ist.
Das System nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungsbereich ein Zylinder einer Brennkraftmaschine ist.
Das System nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine durch die Entladungsstrecke hindurchtretende elektrische Puls zumindest einen ersten elektrischen Puls aufweist, der den zumindest einen Brennstoff oder die zumindest eine Luft/Brennstoff-Mischung dissoziiert, und zumindest einen zweiten elektrischen Puls aufweist, der die brennbare Mischung zündet.
Das System nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzuführung, die der Entladungsstrecke zumindest einen Brennstoff oder zumindest eine Luft/Brennstoff-Mischung liefert, durch eine Öffnung in dem Gehäuse der Zündeinrichtung verläuft.
Das System nach Anspruch 1, wobei das System ferner einen mit der Öffnung gekoppelten Brennstoffinjektor aufweist.
Das System nach Anspruch 1, wobei die erste elektrisch leitfähige Oberfläche und die zweite elektrisch leitfähige Oberfläche koaxial sind.
Das System nach Anspruch 1, wobei die Zündeinrichtung ferner ein Gehäuse aufweist, bei dem der Isolator zumindest teilweise in der Entladungslücke angeordnet ist, wobei zumindest ein Abschnitt des Isolators ein poröses Material aufweist, welches eine Fluidverbindung mit der Entladungsstrecke ermöglicht.
Das System nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine elektrische Puls mit einer ersten Frequenz pulst, die den zumindest einen Brennstoff oder die zumindest eine Luft/Brennstoff-Mischung dissoziiert.
Das System nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine elektrische Puls einen ersten Strom und einen zweiten Strom aufweist, wobei die Spannungsspitze des ersten Stroms größer ist als die des zweiten Stroms.
Das System nach Anspruch 9, wobei ein Brennstoff oder eine Luft/Brennstoff-Mischung des zumindest einen Brennstoffs oder der zumindest einen Luft/Brennstoff-Mischung ohne Verbrennung dissoziiert wird.
Das System nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine elektrische Puls den zumindest einen Brennstoff oder die zumindest eine Luft/Brennstoff-Mischung zündet.
Das System nach Anspruch 11, wobei der zumindest eine elektrische Puls zumindest einen elektrischen Puls mit einer ersten Frequenz aufweist, und zumindest einen zweiten elektrischen Puls mit einer zweiten Frequenz aufweist, die geringer ist als die erste Frequenz.
Das System nach Anspruch 12, wobei der zumindest eine elektrische Puls bei einem ersten Zeitintervall und der zumindest eine zweite elektrische Puls bei einem zweiten Zeitintervall bereitgestellt wird, wobei das erste Zeitintervall und das zweite Zeitintervall mit einem einstellbaren Zeitintervall versetzt sind.
Das System nach Anspruch 13, wobei der zumindest eine zweite elektrische Puls nach dem einstellbaren Zeitintervall von einer anderen, in dem Verbrennungsbereich angeordneten Zündeinrichtung bereitgestellt wird.
Das System nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine elektrische Puls der Steuereinrichtung ferner aufweist: einen elektrischen Puls zum Initiieren der Injektion von Brennstoff oder einer Luft/Brennstoff-Mischung von der Brennstoffzuführung in die Entladungsstrecke, und einen elektrischen Puls zum Initiieren der Zündung der Zündeinrichtung zum Zünden einer brennbaren Mischung in dem Verbrennungsbereich.
Das System nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine elektrische Puls eine Stärke von etwa 300 Millijoule pro Puls aufweist.
Ein Verfahren zum Zuführen von Brennstoff zu dem Verbrennungsbereich eines Verbrennungssystems, wobei das Verbrennungssystem einen Verbrennungsbereich, eine Brennstoffzufüh rung, die über eine Zündeinrichtung betriebsmäßig mit dem Verbrennungsbereich verbunden ist, aufweist, wobei die Zündeinrichtung eine erste elektrisch leitfähige Oberfläche und eine zweite elektrisch leitfähige Oberfläche aufweist, die von der ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche zum Ausbilden einer Entladungsstrecke beabstandet ist, wobei die Zündeinrichtung einen Isolator aufweist, und wobei das Verfahren aufweist: Anordnen der Zündeinrichtung derart, daß die Entladungsstrecke in direkter Verbindung mit dem Verbrennungsbereich steht, Injizieren des zumindest einen Brennstoffs oder der zumindest einen Luft/Brennstoff-Mischung über die Zündeinrichtung derart, daß er bzw. es durch die Entladungsstrecke hindurchtritt; und Führen eines elektrischen Stroms derart, daß der elektrische Strom durch zumindest einen Abschnitt des zumindest einen Brennstoffs oder der zumindest einen Luft/Brennstoff-Mischung hindurchtritt, wobei zumindest ein durch die Entladungsstrecke hindurchtretender elektrischer Strompuls ausreicht, um zu bewirken, daß zumindest ein Teil des zumindest einen Brennstoffs oder der zumindest einen Luft/Brennstoff-Mischung zu Wasserstoff dissoziiert, gekennzeichnet durch die Tatsache, daß zumindest ein Abschnitt einer Oberfläche des Isolators in der Entladungsstrecke zwischen den zwei elektrisch leitfähigen Oberflächen angeordnet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei der durch die Entladungsstrecke hindurchtretende elektrische Strom ausreichend ist, um zu bewirken, daß die brennbare Mischung zündet.
Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei zumindest ein zusätzlicher Puls die Zündung der brennbaren Mischung bewirkt.