EP1697634B1 - Verfahren zum zünden der verbrennung eines kraftstoffes in einem verbrennungsraum eines motors, zugehörige vorrichtung und motor - Google Patents

Verfahren zum zünden der verbrennung eines kraftstoffes in einem verbrennungsraum eines motors, zugehörige vorrichtung und motor Download PDF

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EP1697634B1
EP1697634B1 EP04803290.8A EP04803290A EP1697634B1 EP 1697634 B1 EP1697634 B1 EP 1697634B1 EP 04803290 A EP04803290 A EP 04803290A EP 1697634 B1 EP1697634 B1 EP 1697634B1
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EP
European Patent Office
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microwave
combustion chamber
engine
combustion
fuel
Prior art date
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EP04803290.8A
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English (en)
French (fr)
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EP1697634A1 (de
Inventor
Volker Gallatz
Nikita Hirsch
Irina Tarasova
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MWI MICRO WAVE IGNITION AG
Original Assignee
Mwi Micro Wave Ignition AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F02P23/045—Other physical ignition means, e.g. using laser rays using electromagnetic microwaves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition
    • F02P23/04—Other physical ignition means, e.g. using laser rays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P23/00—Other ignition

Definitions

  • the invention relates to a method for igniting the combustion of a fuel in a combustion chamber of an engine as well as an associated ignition device and an associated engine.
  • spark plugs that ignite the fuel-air mixture.
  • These spark plugs may have one or more electrodes. Each of these electrodes generates a spark that ignites the fuel-air mixture in the immediate vicinity of the electrode. Accordingly, combustion first begins in a very small startup volume around the spark plug electrodes. Following this, the combustion spreads at a limited speed.
  • the US 4,113,315 describes a two-chamber ignition method in which the fuel-air mixture is ignited by an ignition source in a first, small ignition space and then ignited by the incoming flame propagation, the fuel-air mixture in the larger second space, the actual cylinder.
  • the US 4,499,872 shows a further development of this two-chamber ignition method in which a mixture of ionized water and fuel is ignited by means of magnetic fields and multiple ignition rods.
  • the two-chamber ignition method has in common that they require a high design and therefore manufacturing costs.
  • the US 5,983,871 describes a combination of the coupling of microwave and laser energy for the generation of the plasma. As a result, the complexity of the ignition device and the ignition method and the associated engine is further increased. The same applies to the US 6,581,581 which describes a combination of ignition by microwave plasma and magnetic ionization of the atomized fuel-air mixture.
  • the JP 55007972 A discloses an igniter in which microwaves are introduced into a combustion chamber to create standing waves there. In the cylinder head bosses are arranged. When the piston approaches top dead center, a flashover occurs which ignites the combustion. As a result of the several projections, a corresponding number of spots of ignition are formed.
  • the DE 199 14 941 C1 discloses a method and apparatus for microwave assisted mixture combustion in the combustion chamber of a compression ignition internal combustion engine in which combustion is assisted by microwave radiation into the combustion chamber. For this purpose, droplets of a thermally activatable by microwaves substance are introduced into the fuel mixture.
  • the US 4,446,826 A discloses an ignition device in which the combustion chamber is shaped such that resonant modes of the irradiated microwaves can form and thereby a plasma is generated.
  • the US 2,617,841 A discloses an ignition device in which a spark is generated by coupling in high-frequency waves.
  • the JP 59215967 A discloses a device for assisting the start-up of an internal combustion engine, wherein heating of fuel or substances promoting combustion is achieved by radiating a very high frequency electromagnetic wave into the combustion chamber.
  • the energy generated by an oscillator is guided via a waveguide to a horn antenna in the cylinder head and radiated from the latter via a window, which is permeable to this energy, for example made of refractory glass, into the combustion chamber.
  • the EP 0 680 243 A For example, a method of heating a chemical reactor using microwaves is known.
  • the DE 198 02 745 A1 discloses a microwave ignition and combustion assistance device for a fuel engine in which the combustion chamber acts as a resonator in terms of microwave technology.
  • the combustion chamber acts as a resonator in terms of microwave technology.
  • the piston axis rotationally symmetric modes or mode mixtures combustion is optimized.
  • a plasma is formed, which leads to a strong increase in the quality of the resonator and thus prevents an effective coupling of a microwave. Therefore, in the decaying combustion process, the coupling of a mode leading to complete combustion of residual fuel and of combustion residues in the wall region of the combustion chamber leads.
  • the DE 198 02 745 A1 represents the closest prior art to the present invention.
  • the known methods have in common that they require complex and thus cost-intensive and maintenance-intensive constructions and moreover have only a limited life.
  • the efficiency and efficiency of the combustion process and thus of the motor driven thereby are also limited.
  • the pollutant emission is not sufficiently reduced.
  • leaning of the fuel-air mixture achieves a lower combustion temperature, which results in lower power.
  • the lower combustion temperature also leads to increased pollutant emissions.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for igniting the combustion of a fuel in a combustion chamber of an engine and an associated ignition device and an associated engine, which overcome the disadvantages of the prior art.
  • the ignition according to the invention should be such that results in an optimized combustion process, especially at a given power reduced fuel consumption and reduced pollutant emissions.
  • a mixture of fuel and an oxygen source for example a fuel-air mixture
  • an oxygen source for example a fuel-air mixture
  • the movement of a piston in the cylinder, the fuel-air mixture is often compressed during the ignition process.
  • the coupling of the microwave radiation takes place in such a way that the most homogeneous possible energy density distribution results in the combustion chamber.
  • either the microwave window can be relatively large or a small-area microwave window can be used.
  • it may be advantageous to provide a diffuser device at the point of entry of the microwave radiation into the generally cylindrical combustion chamber for example to provide a suitable planar point, line or grid structure which measures the irradiation of the microwaves into the combustion chamber with an isotropic directional characteristic causes.
  • a predefinable energy density distribution in the combustion chamber can be achieved by the design of the diffuser.
  • the wavelength of the microwaves is preferably between 0.1 cm and 45 cm, in particular between 1 cm and 15 cm and typically between 3 cm and 10 cm.
  • the microwaves are coupled in pulses, with multiple microwave pulses being used for this purpose.
  • the power of the microwave pulses depends on the particular application and may for example be between one kilowatt and 70 kW.
  • the pulse duration can take place, for example, between 1 nsec and 2 msec, the pulse interval of the microwave pulses typically being between 100 nsec and 2 msec.
  • the supplied microwave energy is used directly for the simultaneous and uniform ignition of the entire fuel-air mixture. Due to the relatively short pulse duration in relation to the speed of the piston movement, the change in the volume of the combustion chamber during the pulse duration is negligibly small.
  • the power of the microwave pulse must be chosen sufficiently high, so that enough ignition energy is coupled into the combustion chamber.
  • the fuel droplets present in the fuel-air mixture are heated to the ignition temperature and thereby ignited the mixture.
  • the generation of a plasma is avoided in the present invention.
  • the ignition does not occur at a single predetermined location in the combustion chamber and therefore does not then relatively slowly spread, but ignited in the entire combustion chamber, the entire fuel-air mixture almost simultaneously and evenly.
  • the combustion process of the fuel-air mixture in the internal combustion engine proceeds in two phases: In the first, relatively slow, so-called laminar phase, the laminar flame speed essentially limits the speed of the combustion process of the engine and thus the efficiency. Typical laminar flame speeds, especially of modern internal combustion engines with lean mixture compositions be about 10 cm / sec.
  • the laminar phase is followed by the so-called turbulent combustion phase as the second phase. From the viewpoint of the highest possible efficiency, the second turbulent combustion phase should always be achieved as quickly as possible. This is also the focus of some state-of-the-art efforts, which still require the completion of the first phase to reach the second phase.
  • the first, slow laminar combustion phase is completely skipped and the ignition immediately leads to the second, fast turbulent combustion phase.
  • the invention also relates to an ignition device for carrying out the method according to the invention.
  • an electrical power source is preferably a pulse high voltage power supply into consideration, which provides the energy required for the microwave pulses.
  • a microwave source for example, a magnetron, klystron, gyrotron, a traveling wave tube (TWT) or the like can be used. Any microwave connections are to be adapted in terms of their dimensions to the wavelength of the microwave source in order to keep reflections and line losses as small as possible.
  • the microwave line can also be made flexible.
  • a coupling device is arranged between the microwave source and the microwave window, which on the one hand transmits the microwaves transmitted by the microwave source to the microwave window, but on the other hand does not transmit the microwave reflected from the combustion chamber back into the microwave source.
  • this coupling device may comprise a three-port, in particular a circulator, at the first port of the microwave source, the second port of the microwave window and the third port of a preferably passive microwave consumer is connected.
  • the circulator has the function of forwarding microwave energy from the microwave source to the combustion chamber and at the same time radiating back from the combustion chamber Redirecting microwave energy to the passive microwave consumer, which absorbs the reflected microwave energy from the combustion chamber. This protects the microwave source from the reflected microwave radiation.
  • the circulator may include a gas-filled unloader to enhance the function of reducing returned microwave energy.
  • the microwave window is substantially permeable to the microwave energy, in particular, a high microwave power can be transported through, and on the other hand seals the combustion chamber to the outside.
  • a microwave window is a ceramic disk, a sapphire glass disk or other suitable material.
  • the microwave window may, for example, have planar or three-dimensional structures, preferably on the surface, for example by applying a metallic structure, by means of which a predeterminable radiation characteristic of the microwave energy into the combustion chamber is ensured.
  • the invention also relates to an engine having an ignition device which operates according to the ignition method according to the invention.
  • One particular embodiment is an Otto engine, Wankel engine, Spark Ignition Direct Injection (SIDI) engine, or diesel engine, in which a fuel-air mixture is ignited in the combustion chamber.
  • SIDI Spark Ignition Direct Injection
  • the present invention leads to an optimal combustion of the fuel-air mixture in an engine according to the invention in that throughout the combustion chamber by the simultaneous and uniform ignition and combustion of the fuel-air mixture no first, slow laminar combustion phase arises, but the second, fast turbulent combustion phase is started immediately when ignited.
  • small turbulent, independently propagating ignition and combustion zones are generated in the entire combustion chamber, almost simultaneously in very large numbers. Accordingly, the fuel-air mixture is ignited almost simultaneously in the entire combustion chamber and then burned.
  • the fuel droplets present in the fuel-air mixture are gradually heated until the ignition temperature is reached.
  • the generally undesirable different temperature ranges are avoided in the combustion chamber, because the gradual increase in temperature leads to a homogenization and thus in the end to a virtually simultaneous and uniform ignition of the entire mixture in the combustion chamber.
  • the principle also undesirable plasma generation is prevented by the multiple pulses.
  • the Fig. 1 schematically shows the structure of an ignition device 1 according to the invention for an engine 2, also shown only schematically, of which only the cylinder 3 and the piston 4 moving up and down it is shown.
  • the piston 4 and the cylinder 3 delimit the combustion chamber 5, in which ideally a fuel-air mixture is evenly distributed.
  • the piston 4 is approximately at top dead center.
  • the ignition device 1 initially comprises a pulse high-voltage power supply 6, with whose energy the microwave source 7 is operated.
  • a first piece of a preferably flexible microwave line 8 is connected in a flange manner to a first connection flange 9 of the circulator 10.
  • the circulator 10 On the side opposite the first connection flange 9, the circulator 10 has a second connection flange 11, which is connected in a flange manner to a second microwave line 12, which is also preferably flexible and leads to the microwave window 13.
  • the microwave window 13 is fixed on the lateral surface of the cylinder 3 in such a way that the irradiation of the microwaves takes place in the combustion chamber 5 such that the most homogeneous possible energy density distribution in the combustion chamber 5 results.
  • the microwave window 13 is made of a ceramic disc inserted in the cylinder 3 such that the combustion chamber 5 is sealed to the outside.
  • the microwave window 13 may have, in particular on its side facing the combustion chamber 5, structures 14, by which a diffuse irradiation characteristic of the microwaves in the combustion chamber 5 is ensured.
  • the microwave energy supplied via the first connection flange 9 is fed virtually undamped via the second connection flange 11 to the microwave window 13 and thus coupled into the combustion space 5. Reflections occurring in the combustion chamber 5 can lead to a re-radiation of microwave energy via the second microwave line 12 and into the second connection flange 11.
  • the circulator 10 ensures in this case, a derivative of the microwave energy according to the arrow 16, namely not back into the first flange 9, but via a third flange 17, to which a third microwave line 18 is connected, the reflected energy flow to a passive microwave consumer 19 leads.
  • the connection flanges 9, 11, 17 of the circulator 10 may also be contrary to the representation in the Fig. 1 each be arranged symmetrically at an angular distance of 120 °.
  • the ignition method according to the invention was tested with an ignition device according to the invention on an internal combustion engine. It was a four-stroke Otto engine with four cylinders and a volume of 1,300 cm 3 . The engine power was 63 hp / 46.6 kW. When operating with a conventional ignition system, the fuel consumption was about 6.5 liters per 100 km.
  • the spark plugs were removed and replaced with ceramic washers as gaskets and microwave windows.
  • the structure of the ignition device 1 corresponded to the Fig. 1 ,
  • the combustion engine was mechanically connected to an electric generator, so it was possible to determine the engine power.
  • An ohmic load connected to the generator was located in a water analyzer.
  • FIGS. 2 to 4 show the performance of the engine as a function of the reduction in the fuel quantity in the fuel-air mixture (leaning) in three different operating ranges, namely at full load ( Fig. 2 ), Half load ( Fig. 3 ) and third-party load ( Fig. 4 .).
  • the factor of emaciation is to be understood as the fraction to which the proportion of fuel was reduced, in the representations of FIGS. 2 to 4 starting from 1/1 to 1 / 4.5-tel. It turns out that when operated with the ignition device according to the invention, the fuel content in the mixture can be emaciated by a factor of 3 even at full load, without the power is reduced; at third load, this factor is even 3.5.
  • the Fig. 5 shows the reduction of the carbon monoxide (CO) content in the exhaust gases of the engine according to the invention as a function of the concentration of the fuel in the fuel-air mixture.
  • concentration of CO at 0.05% by volume is significantly lower than that of the standard igniter type engine, where this value is about 0.20% by volume.
  • the CO content can once again be reduced to 0.02% by volume. This means a reduction of CO emissions by a factor of 10.
  • the inventive Ignition method only about 2.3 liters of gasoline per 100 km, thus only about a third of the consumption with conventional ignition.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden der Verbrennung eines Kraftstoffes in einem Verbrennungsraum eines Motors sowie eine zugehörige Zündvorrichtung und einen zugehörigen Motor.
  • Weil der Zündvorgang einen maßgeblichen Einfluss auf die Effizienz von Verbrennungsmotoren hat, insbesondere bei vorgegebener Motorleistung den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission maßgeblich mitbestimmt, wurden bereits in der Vergangenheit umfangreiche Anstrengungen zur Optimierung des Zündvorgangs vorgenommen.
    Die heute gebräuchlichsten Zündvorrichtungen verwenden Zündkerzen, die das Kraftstoff-Luft-Gemisch zünden. Diese Zündkerzen können eine oder mehrere Elektroden aufweisen. Jede dieser Elektroden erzeugt einen Zündfunken, der das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der unmittelbaren Umgebung der Elektrode zündet. Die Verbrennung beginnt dementsprechend zuerst in einem sehr kleinen Startvolumen um die Elektroden der Zündkerzen herum. Im Anschluss daran breitet sich die Verbrennung mit einer allerdings begrenzten Geschwindigkeit aus.
  • In der DE 195 27 873 A1 und der US 5,136,994 ist eine Glühkerze beschrieben, die zur Herabsetzung des für die Zündung erforderlichen Energieaufwandes eine katalytische Oberflächenbeschichtung des Glühteiles aufweist. Nachteilig ist daran, dass zum einen die Herstellkosten aufgrund der erforderlichen Katalysatorwerkstoffe erhöht sind und zum anderen der Verbrennungsvorgang nur unwesentlich optimiert ist.
    Die US 4,774,914 und US 6,595,194 beschreiben eine Zündvorrichtung, die einen besonders großen Zündfunken generieren soll.
  • Die US 4,113,315 beschreibt ein Zweikammer-Zündverfahren, bei dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch eine Zündquelle in einem ersten, kleinen Zündraum gezündet wird und durch die eintretende Flammenausbreitung anschließend das Kraftstoff-Luft-Gemisch im größeren zweiten Raum, dem eigentlichen Zylinder, entzündet. Die US 4,499,872 zeigt eine Weiterentwicklung dieses Zweikammer-Zündverfahrens, bei der ein Gemisch aus ionisiertem Wasser und Kraftstoff mit Hilfe von magnetischen Feldern und mehreren Zündstangen gezündet wird. Den Zweikammer-Zündverfahren ist gemeinsam, dass sie einen hohen konstruktiven und damit Herstellungsaufwand erfordern.
  • Aus der US 5,673,554 und der US 5,689,949 sind Zündverfahren bekannt, bei denen Mikrowellenenergie dazu verwendet wird, im Verbrennungsraum ein Plasma zu erzeugen, welches das Kraftstoff-Luft-Gemisch zündet. Die Entstehung des Plasmas ist dabei wesentlich von der Einhaltung enger Randbedingungen hinsichtlich der Ausbildung eines Resonanzmodes abhängig, was insbesondere im Hinblick auf den sich Auf und Ab bewegenden Kolben des Motors zu erheblichen konstruktiven Aufwendungen führt. Darüber hinaus begrenzt der Mikrowellensender den Weg der Kolbenbewegung im Motor. Entsprechendes gilt auch für die US 5,845,480 .
  • Die US 5,983,871 beschreibt eine Kombination der Einkopplung von Mikrowellen- und Laserenergie für die Erzeugung des Plasmas. Dadurch wird die Komplexität der Zündvorrichtung und des Zündverfahrens sowie des zugehörigen Motors weiter erhöht. Entsprechendes gilt für die US 6,581,581 , welche eine Kombination der Zündung durch Mikrowellenplasma und einer magnetischen Ionisierung des atomisierten Kraftstoff-Luft-Gemisches beschreibt.
  • Die JP 55007972 A offenbart eine Zündvorrichtung, bei welcher Mikrowellen in einen Verbrennungsraum eingeleitet werden, um dort stehende Wellen zu erzeugen. In dem Zylinderkopf sind Vorsprünge ("bosses") angeordnet. Nähert sich der Kolben dem oberen Totpunkt, kommt es zu einem Funkenüberschlag, der die Verbrennung zündet. Durch die mehreren Vorsprünge bilden sich entsprechend mehrere Zündorte ("spots") aus.
  • Die DE 199 14 941 C1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur mikrowellengestützten Gemischverbrennung im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung, bei denen die Verbrennung durch Mikrowelleneinstrahlung in den Brennraum unterstützt wird. Hierzu werden Tröpfchen einer durch Mikrowellen thermisch aktivierbaren Substanz in das Brenngemisch eingebracht.
  • Die US 4,446,826 A offenbart eine Zündvorrichtung, bei welcher der Verbrennungsraum derart geformt ist, dass sich Resonanzmoden der eingestrahlten Mikrowellen ausbilden können und dadurch ein Plasma erzeugt wird.
  • Die US 2,617,841 A offenbart eine Zündvorrichtung, bei welcher durch Einkoppeln von hochfrequenten Wellen ein Zündfunke erzeugt wird.
  • Die JP 59215967 A offenbart eine Vorrichtung zur Unterstützung des Startvorgangs einer Verbrennungsmaschine, wobei durch Einstrahlen einer elektromagnetischen Welle sehr hoher Frequenz in die Brennkammer eine Erhitzung von Brennstoff oder von die Verbrennung unterstützenden Stoffen erreicht wird. Hierzu wird die von einem Oszillator erzeugte Energie über einen Hohlleiter zu einer Hornantenne im Zylinderkopf geführt und von dieser über ein Fenster, das für diese Energie durchlässig ist, beispielsweise aus feuerfestem Glas besteht, in die Brennkammer gestrahlt.
  • Die EP 0 680 243 A ist ein Verfahren zum Beheizen eines chemischen Reaktors unter Einsatz von Mikrowellen bekannt.
  • Die DE 198 02 745 A1 offenbart eine mikrowellentechnische Zünd- und Verbrennungsunterstützungs-Einrichtung für einen Kraftstoffmotor, bei welcher der Brennraum mikrowellentechnisch als Resonator wirkt.
    Durch Anregung jeweils für den Zünd- und den Verbrennungstakt ausgelegter, zur Kolbenachse rotationssymmetrischer Moden bzw. Modengemische wird die Verbrennung optimiert. Während der nach der Zündung zunächst selbstständig ablaufenden Verbrennung wird ein Plasma ausgebildet, welches zu einer starken Erhöhung der Resonatorgüte führt und so ein wirksames Einkoppeln einer Mikrowelle verhindert.
    Daher erfolgt im abklingenden Verbrennungsprozess das Einkoppeln einer Mode, die zu einer vollständigen Verbrennung von restlichem Kraftstoff und von Verbrennungsrückständen im Wandbereich der Brennkammer führt. Die DE 198 02 745 A1 stellt den nächstliegenden Stand der Technik zur vorliegenden Erfindung dar.
  • Den bekannten Verfahren ist gemeinsam, dass sie aufwendige und damit kostenintensive und wartungsintensive Konstruktionen erfordern und darüber hinaus nur eine begrenzte Lebensdauer aufweisen.
    Die Leistungsfähigkeit und Effizienz der Verbrennungsvorgangs und mithin des dadurch angetriebenen Motors sind darüber hinaus beschränkt.
    Hinzu kommt, dass die Schadstoffemission nicht ausreichend reduziert ist. Insbesondere wird durch die zwecks Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs erfolgte Abmagerung des Kraftstoff-Luft-Gemisches eine geringere Verbrennungstemperatur erzielt, was eine geringere Leistung mit sich bringt. Die geringere Verbrennungstemperatur führt außerdem zu einer erhöhten Schadstoffemission.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Zünden der Verbrennung eines Kraftstoffes in einem Verbrennungsraum eines Motors sowie eine zugehörige Zündvorrichtung und einen zugehörigen Motor bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden. Insbesondere soll die Zündung erfindungsgemäß so erfolgen, dass sich ein optimierter Verbrennungsverlauf ergibt, insbesondere bei vorgegebener Leistung ein reduzierter Kraftstoffverbrauch und eine reduzierte Schadstoffemission.
  • Die Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Verfahren sowie durch die in den nebengeordneten Ansprüchen bestimmte Vorrichtung und Motor gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
  • In der Regel befindet sich im Verbrennungsraum ein Gemisch aus Kraftstoff und einer Sauerstoffquelle, beispielsweise ein Kraftstoff-Luft-Gemisch. Durch die Bewegung eines Kolbens im Zylinder ist darüber hinaus häufig das Kraftstoff-Luft-Gemisch während des Zündvorgangs verdichtet. Die Einkopplung der Mikrowellenstrahlung erfolgt so, dass sich eine möglichst homogene Energiedichteverteilung im Verbrennungsraum ergibt. Hierzu kann entweder das Mikrowellenfenster verhältnismäßig großflächig sein oder ein kleinflächiges Mikrowellenfenster verwendet werden. Im letztgenannten Fall kann es vorteilhaft sein, an der Eintrittstelle der Mikrowellenstrahlung in den in der Regel zylindrischen Verbrennungsraum eine Diffusoreinrichtung vorzusehen, beispielsweise eine geeignete, flächige Punkt-, Linien- oder Gitterstruktur vorzusehen, welche die Einstrahlung der Mikrowellen in den Verbrennungsraum mit einer isotropen Richtungscharakteristik bewirkt. Gegebenenfalls kann durch die Ausgestaltung des Diffusors eine vorgebbare Energiedichteverteilung im Verbrennungsraum erreicht werden.
  • Die Wellenlänge der Mikrowellen beträgt vorzugsweise zwischen 0,1 cm und 45 cm, insbesondere zwischen 1 cm und 15 cm und typisch zwischen 3 cm und 10 cm. Die Mikrowellen werden impulsförmig eingekoppelt, wobei hierfür mehrere Mikrowellenimpulse verwendet werden. Die Leistung der Mikrowellenimpulse ist abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall und kann beispielsweise zwischen einem Kilowatt und 70 kW betragen. Die Impulsdauer kann beispielsweise zwischen 1 nsec und 2 msec erfolgen, wobei der Impulsabstand der Mikrowellenimpulse typisch zwischen 100 nsec und 2 msec liegt.
  • Die zugeführte Mikrowellenenergie wird unmittelbar zur gleichzeitigen und gleichmäßigen Zündung des gesamten Kraftstoff-Luft-Gemisches verwendet. Durch die in Bezug auf die Geschwindigkeit der Kolbenbewegung verhältnismäßig kurze Impulsdauer ist die Veränderung des Volumens des Verbrennungsraums während der Impulsdauer vernachlässigbar klein.
    Die Leistung des Mikrowellenimpulses muss ausreichend hoch gewählt werden, damit genügend Zündenergie in den Verbrennungsraum eingekoppelt wird.
  • Durch die zugeführte Mikrowellenenergie werden die im Kraftstoff-Luft-Gemisch vorhandenen Kraftstofftröpfchen bis zur Zündtemperatur erhitzt und dadurch das Gemisch gezündet. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei der vorliegenden Erfindung die Erzeugung eines Plasmas vermieden.
  • Im Gegensatz zu den bekannten Zündsystemen erfolgt bei der vorliegenden Erfindung die Zündung nicht an einem einzigen vorgegebenen Ort im Verbrennungsraum und muss sich daher auch nicht anschließend verhältnismäßig langsam ausbreiten, sondern im gesamten Verbrennungsraum das gesamte Kraftstoff-Luft-Gemisch nahezu gleichzeitig und gleichmäßig gezündet.
  • Bei den bekannten Zündverfahren läuft der Verbrennungsprozess des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Verbrennungsmotor in zwei Phasen ab: In der ersten, verhältnismäßig langsamen, so genannten laminaren Phase begrenzt die laminare Flammgeschwindigkeit im Wesentlichen die Geschwindigkeit des Verbrennungsprozesses des Motors und damit die Effizienz. Typische laminare Flammgeschwindigkeiten insbesondere von modernen Verbrennungsmotoren mit abgemagerten Gemischzusammensetzungen betragen etwa 10 cm/sec. An die laminare Phase schließt sich die so genannte turbulente Verbrennungsphase als zweite Phase an. Unter dem Gesichtspunkt einer möglichst hohen Effizienz sollte stets möglichst schnell die zweite turbulente Verbrennungsphase erreicht werden. Hierauf konzentrieren sich auch einige Bemühungen aus dem Stand der Technik, bei denen aber nach wie vor für das Erreichen der zweiten Phase der Ablauf der ersten Phase erforderlich ist.
  • Im Gegensatz dazu wird gemäß der vorliegenden Erfindung die erste, langsame laminare Verbrennungsphase vollständig übersprungen und die Zündung führt unmittelbar zur zweiten, schnellen turbulenten Verbrennungsphase.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Zündvorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Als elektrische Energieversorgungsquelle kommt dabei vorzugsweise ein Impuls-Hochspannungsnetzteil in Betracht, welches die für die Mikrowellenimpulse erforderliche Energie bereitstellt. Als Mikrowellenquelle kann beispielsweise ein Magnetron, Klystron, Gyrotron, eine Wanderfeldröhre (Travelling Wave Tube, TWT) oder dergleichen eingesetzt werden. Eventuelle Mikrowellenverbindungen sind hinsichtlich ihrer Abmessungen an die Wellenlänge der Mikrowellenquelle anzupassen, um Reflektionen und Leitungsverluste möglichst klein zu halten. Gegebenenfalls kann die Mikrowellenleitung auch flexibel ausgestaltet sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Mikrowellenquelle und dem Mikrowellenfenster eine Koppeleinrichtung angeordnet, welche einerseits die von der Mikrowellenquelle gesendeten Mikrowellen an das Mikrowellenfenster überträgt, andererseits die vom Verbrennungsraum reflektierten Mikrowellen aber nicht zurück in die Mikrowellenquelle überträgt. Insbesondere kann diese Koppeleinrichtung ein Dreitor aufweisen, insbesondere einen Zirkulator, an dessen erstem Tor die Mikrowellenquelle, dessen zweitem Tor das Mikrowellenfenster und dessen drittem Tor ein vorzugsweise passiver Mikrowellenverbraucher angeschlossen ist. Der Zirkulator hat die Funktion, Mikrowellenenergie von der Mikrowellenquelle zum Verbrennungsraum weiterzuleiten und gleichzeitig die vom Verbrennungsraum zurückgestrahlte Mikrowellenenergie zum passiven Mikrowellenverbraucher umzuleiten, der die vom Verbrennungsraum reflektierte Mikrowellenenergie absorbiert. Dadurch wird die Mikrowellenquelle vor den reflektierten Mikrowellenstrahlen geschützt. Der Zirkulator kann, um die Funktion der Reduktion von zurückgestrahlter Mikrowellenenergie zu verbessern, einen gasgefüllten Entlader enthalten.
  • Das Mikrowellenfenster ist für die Mikrowellenenergie im Wesentlichen durchlässig, insbesondere kann auch eine hohe Mikrowellenleistung hindurchtransportiert werden, und dichtet andererseits den Verbrennungsraum nach außen ab. Eine mögliche Ausführungsform des Mikrowellenfensters besteht in einer keramischen Scheibe, einer Scheibe aus Saphirglas oder einem anderen geeigneten Werkstoff. Das Mikrowellenfenster kann darüber hinaus beispielsweise flächige oder auch dreidimensionale Strukturen aufweisen, vorzugsweise an der Oberfläche, beispielsweise durch Aufbringen einer metallischen Struktur, durch welche eine vorgebbare Abstrahlcharakteristik der Mikrowellenenergie in den Verbrennungsraum hinein gewährleistet ist.
  • Der Erfindung betrifft auch einen Motor mit einer Zündvorrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Zündverfahren arbeitet. Bei einer besonderen Ausführungsart handelt es sich um einen Otto-Motor, Wankel-Motor, SIDI-(Spark Ignition Direct Injection)-Motor oder Diesel-Motor, bei dem ein Kraftstoff-Luft-Gemisch im Verbrennungsraum gezündet wird.
  • Die vorliegende Erfindung führt zu einer optimalen Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem erfindungsgemäßen Motor dadurch, dass im gesamten Verbrennungsraum durch die gleichzeitige und gleichmäßige Zündung und Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches keine erste, langsame laminare Verbrennungsphase entsteht, sondern die zweite, schnelle turbulente Verbrennungsphase beim Zünden unmittelbar gestartet wird. Hierzu werden im gesamten Verbrennungsraum kleine turbulente, sich unabhängig voneinander ausbreitende Zünd- und Verbrennungszonen erzeugt, nahezu gleichzeitig in sehr großer Anzahl. Dementsprechend wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch im gesamten Verbrennungsraum nahezu gleichzeitig gezündet und anschließend verbrannt.
  • Durch die Verwendung mehrerer Mikrowellenimpulse werden die im Kraftstoff-Luft-Gemisch vorhandenen Kraftstofftröpfchen stufenweise bis zum Erreichen der Zündtemperatur erhitzt. Dadurch werden die grundsätzlich unerwünschten unterschiedlichen Temperaturbereiche im Verbrennungsraum vermieden, denn die stufenweise Anhebung der Temperatur führt zu einer Vergleichmäßigung und damit im Endeffekt zu einer praktisch gleichzeitigen und gleichförmigen Zündung des gesamten Gemisches im Verbrennungsraum. Außerdem wird durch die Mehrfachimpulse die grundsätzlich ebenfalls unerwünschte Plasmaerzeugung verhindert.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
    • Fig. 1
    zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung,
    Fig. 2 bis 4
    zeigen die Leistung eines Motors in Abhängigkeit von der Reduzierung der Kraftstoffmenge im Kraftstoff-Luft-Gemisch (Abmagerung), und
    Fig. 5
    zeigt den CO-Gehalt eines Motors in Abhängigkeit von der Abmagerung.
  • Die Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung 1 für einen ebenfalls nur schematisch dargestellten Motor 2, von dem nur der Zylinder 3 und der sich darin Auf und Ab bewegende Kolben 4 dargestellt ist. Der Kolben 4 und der Zylinder 3 begrenzen den Verbrennungsraum 5, in dem sich idealerweise gleichverteilt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch befindet. In der Darstellung der Fig. 1 befindet sich der Kolben 4 annähernd im oberen Totpunkt.
  • Die Zündvorrichtung 1 umfasst zunächst ein Impuls-Hochspannungsnetzteil 6, mit dessen Energie die Mikrowellenquelle 7 betrieben wird. Ein erstes Stück einer vorzugsweise biegsamen Mikrowellenleitung 8 ist flanschartig mit einem ersten Anschlussflansch 9 des Zirkulators 10 verbunden. Auf der dem ersten Anschlussflansch 9 gegenüberliegenden Seite weist der Zirkulator 10 einen zweiten Anschlussflansch 11 auf, der flanschartig mit einer zweiten Mikrowellenleitung 12 verbunden ist, die ebenfalls vorzugsweise biegsam ist und zu dem Mikrowellenfenster 13 führt.
  • Das Mikrowellenfenster 13 ist derart an der Mantelfläche des Zylinders 3 festgelegt, dass die Einstrahlung der Mikrowellen so in den Verbrennungsraum 5 erfolgt, dass sich eine möglichst homogene Energiedichteverteilung im Verbrennungsraum 5 ergibt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das Mikrowellenfenster 13 aus einer keramischen Scheibe, die derart in dem Zylinder 3 eingefügt ist, dass der Verbrennungsraum 5 nach außen abgedichtet ist. Das Mikrowellenfenster 13 kann insbesondere auf seiner dem Verbrennungsraum 5 zugewandten Seite Strukturen 14 aufweisen, durch die eine diffuse Einstrahlungscharakteristik der Mikrowellen in den Verbrennungsraum 5 gewährleistet ist.
  • Durch den Zirkulator 10 wird entsprechend dem durch den Pfeil 15 repräsentierten Energiefluss die über den ersten Anschlussflansch 9 zugeführte Mikrowellenenergie praktisch ungedämpft über den zweiten Anschlussflansch 11 dem Mikrowellenfenster 13 zugeführt und damit in den Verbrennungsraum 5 eingekoppelt. Im Verbrennungsraum 5 auftretende Reflektionen können zu einer Rückstrahlung von Mikrowellenenergie über die zweite Mikrowellenleitung 12 und in den zweiten Anschlussflansch 11 führen. Der Zirkulator 10 gewährleistet in diesem Fall allerdings eine Ableitung der Mikrowellenenergie gemäß dem Pfeil 16, nämlich nicht zurück in den ersten Anschlussflansch 9, sondern über einen dritten Anschlussflansch 17, an den eine dritte Mikrowellenleitung 18 angeschlossen ist, die den reflektierten Energiestrom zu einem passiven Mikrowellenverbraucher 19 führt. Die Anschlussflansche 9, 11, 17 des Zirkulators 10 können auch entgegen der Darstellung in der Fig. 1 jeweils in einem Winkelabstand von 120° symmetrisch angeordnet sein.
  • Das erfindungsgemäße Zündverfahren wurde mit einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung an einem Verbrennungsmotor getestet. Es handelte sich dabei um einen Viertakt Otto-Motor mit vier Zylindern und einem Volumen von 1.300 cm3. Die Motorleistung betrug 63 PS/46,6 kW. Beim Betrieb mit einem konventionellen Zündsystem betrug der Kraftstoffverbrauch etwa 6,5 Liter je 100 km.
  • Bei diesem Serienmotor wurden die Zündkerzen entfernt und an deren Stelle keramische Scheiben als Dichtungen und als Mikrowellenfenster eingesetzt. Der Aufbau der Zündvorrichtung 1 entsprach dem der Fig. 1. Der Verbrennungsmotor war mechanisch mit einem elektrischen Generator verbunden, damit war es möglich, die Motorleistung zu bestimmen.
    An dem Generator war ein ohmscher Verbraucher angeschlossen, der sich in einem Wasserkaloriemeter befand.
  • Die Figuren 2 bis 4 zeigen die Leistung des Motors in Abhängigkeit von der Reduzierung der Kraftstoffmenge im Kraftstoff-Luft-Gemisch (Abmagerung) in drei unterschiedlichen Betriebsbereichen, nämlich bei Volllast (Fig. 2), Halblast (Fig. 3) und Drittellast (Fig. 4.). Der Faktor der Abmagerung ist dabei als der Bruchteil zu verstehen, auf den der Kraftstoffanteil reduziert wurde, in den Darstellungen der Figuren 2 bis 4 ausgehend von 1/1 bis zu 1/4,5-tel. Dabei zeigt sich, dass bei einem Betrieb mit der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung der Kraftstoffanteil im Gemisch selbst bei Volllast um den Faktor 3 abgemagert werden kann, ohne dass die Leistung reduziert ist; bei Drittellast beträgt dieser Faktor sogar 3,5.
  • Die Fig. 5 zeigt die Reduzierung des Kohlenmonoxid (CO)-Gehalts in den Abgasen des erfindungsgemäßen Motors in Abhängigkeit von der Konzentration des Kraftstoffs im Kraftstoff-Luft-Gemisch. Selbst beim Faktor 1 ist die Konzentration von CO mit 0,05 Vol% deutlich geringer als beim Standardmotor mit herkömmlicher Zündvorrichtung, wo dieser Wert etwa 0,20 Vol% beträgt. Bei einer Abmagerung um den Faktor 3 lässt sich der CO-Gehalt noch einmal herabsetzen bis auf 0,02 Vol%. Dies bedeutet eine Reduzierung des CO-Ausstoßes um den Faktor 10. Bei annähernd gleicher Leistung betrug der Verbrauch mit dem erfindungsgemäßen Zündverfahren nur etwa 2,3 Liter Otto-Kraftstoff auf 100 km, mithin nur noch etwa ein Drittel gegenüber dem Verbrauch mit konventionellem Zündverfahren.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Zünden der Verbrennung eines Kraftstoffes in einem Verbrennungsraum (5) eines Motors (2) durch Einkoppeln von in einer Mikrowellenquelle (7) außerhalb des Verbrennungsraums (5) erzeugter Mikrowellenstrahlung in den Verbrennungsraum (5), wobei die eingekoppelte Mikrowellenstrahlung von dem im Verbrennungsraum (5) verteilten Kraftstoff absorbiert wird, und wobei durch den aufgrund der Absorption entstehenden Energieeintrag in den Kraftstoff sich die Verbrennung großvolumig im Verbrennungsraum (5) verteilt, im Wesentlichen gleichzeitig gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenstrahlung in Form von 2 bis 10 Mikrowellenimpulsen mit einer Impulsdauer zwischen 1 ns und 2 ms, einem Impulsabstand zwischen 100 ns und 2 ms und hoher Energie mit einer Leistung der Mikrowellenpulse zwischen 1 kW und 70 kW eingekoppelt wird, dass für den Zündvorgang mehrere Mikrowellenpulse eingekoppelt werden, wobei durch einen schrittweisen Energieeintrag eine Nivellierung der Temperaturerhöhung des im Verbrennungsraum (5) verteilten Kraftstoffes bis hin zur Zündtemperatur gewährleistet wird, so dass die Verbrennung im gesamten Verbrennungsraum (5) gleichmäßig verteilt gezündet wird, und dass durch die Wahl der Zeitdauer der Einkopplung der Mikrowellenstrahlung, deren Leistung und gegebenenfalls der Impulsdauer und des Impulsabstandes die Entstehung eines für die Mikrowelleneinkopplung hinderlichen Plasmas im Verbrennungsraum (5) verhindert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Betriebszustand des Motors (2) und der Leistungsanforderung an den Motor (2) die Anzahl der Mikrowellenimpulse, und/oder deren Leistung, und/oder deren Impulsdauer, und/oder deren Zeitpunkt gesteuert wird.
  3. Vorrichtung (1) zum Zünden der Verbrennung eines Kraftstoffes in einem Verbrennungsraum (5) eines Motors (2), wobei die Vorrichtung (1) eine außerhalb des Verbrennungsraums (5) angeordnete Mikrowellenquelle (7) und ein mit der Mikrowellenquelle (7) verbundenes Mikrowellenfenster (13) aufweist, und wobei über das Mikrowellenfenster (13) die Mikrowellenstrahlung in den Verbrennungsraum (5) einkoppelbar ist, so dass die eingekoppelte Mikrowellenstrahlung von dem im Verbrennungsraum (5) verteilten Kraftstoff absorbierbar ist, und durch den aufgrund der Absorption entstehenden Energieeintrag in den Kraftstoff die Verbrennung großvolumig im Verbrennungsraum (5) verteilt, im Wesentlichen gleichzeitig zündbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenstrahlung in Form von 2 bis 10 Mikrowellenimpulsen mit einer Impulsdauer zwischen 1 ns und 2 ms, einem Impulsabstand zwischen 100 ns und 2 ms und hoher Energie mit einer Leistung der Mikrowellenimpulse zwischen 1 kW und 70 kW eingekoppelt ist, dass für den Zündvorgang mehrere Mikrowellenimpulse einkoppelbar sind, wobei durch einen schrittweisen Energieeintrag eine Nivellierung der Temperaturerhöhung des im Verbrennungsraum (5) verteilten Kraftstoffes bis hin zur Zündtemperatur gewährleistet ist, so dass die Verbrennung im gesamten Verbrennungsraum (5) gleichmäßig verteilt zündbar ist, und dass durch die Wahl der Zeitdauer der Einkopplung der Mikrowellenstrahlung, deren Leistung und gegebenenfalls der Impulsdauer und des Impulsabstandes die Entstehung eines für die Mikrowelleneinkopplung hinderlichen Plasmas im Verbrennungsraum (5) verhindert ist.
  4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenquelle (7) von einer elektrischen Energieversorgungsquelle (6) gespeist ist, die elektrische Impulse liefert, welche durch die Mikrowellenquelle (7) in Mikrowellenimpulse umwandelbar sind.
  5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Mikrowellenquelle (7) und dem Mikrowellenfenster (13), vorzugsweise im Verlauf einer Mikrowellenleitung (8, 12), eine Koppeleinrichtung (10) angeordnet ist, welche die von der Mikrowellenquelle (7) gesendeten Mikrowellen an das Mikrowellenfenster (13) überträgt, die vom Verbrennungsraum (5) reflektierten Mikrowellen aber nicht zurück in die Mikrowellenquelle (7) überträgt.
  6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinrichtung (10) ein Dreitor aufweist, insbesondere einen Zirkulator (10), an dessen erstem Tor die Mikrowellenquelle (7), dessen zweitem Tor das Mikrowellenfenster (13) und dessen drittem Tor ein vorzugsweise passiver Mikrowellenverbraucher (19) angeschlossen ist.
  7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrowellenfenster (13) einen keramischen Werkstoff aufweist oder vollständig aus einem keramischen Werkstoff besteht.
  8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenquelle (7) mit dem Mikrowellenfenster (13) durch eine vorzugsweise biegsame Mikrowellenleitung (8, 12) verbunden ist.
  9. Motor (2) mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8 zum Zünden der Verbrennung eines Kraftstoffes in einem Verbrennungsraum (5) des Motors (2).
  10. Motor (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Otto-Motor, Wankel-Motor, SIDI-(Spark Ignition Direct Injection)-Motor oder Diesel-Motor handelt und dass ein Kraftstoff-Luft-Gemisch im Verbrennungsraum (5) gezündet wird.
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