EP4409130A1 - Mikrowellen-vorkammerzündung für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Mikrowellen-vorkammerzündung für einen verbrennungsmotor

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EP4409130A1
EP4409130A1 EP22777963.4A EP22777963A EP4409130A1 EP 4409130 A1 EP4409130 A1 EP 4409130A1 EP 22777963 A EP22777963 A EP 22777963A EP 4409130 A1 EP4409130 A1 EP 4409130A1
Authority
EP
European Patent Office
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cavity
antechamber
combustion chamber
microwave
hollow body
Prior art date
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Granted
Application number
EP22777963.4A
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English (en)
French (fr)
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EP4409130B1 (de
Inventor
Raphael Kramer
Heiko Lenz
Jörg Müller
Volker Gallatz
Armin Gallatz
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Mwi Micro Wave Ignition AG
Original Assignee
Mwi Micro Wave Ignition AG
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Publication date
Application filed by Mwi Micro Wave Ignition AG filed Critical Mwi Micro Wave Ignition AG
Publication of EP4409130A1 publication Critical patent/EP4409130A1/de
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Publication of EP4409130B1 publication Critical patent/EP4409130B1/de
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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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/50—Sparking plugs having means for ionisation of gap
    • 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
    • F02P13/00—Sparking plugs structurally combined with other parts of internal-combustion engines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/40—Sparking plugs structurally combined with other devices
    • H01T13/44—Sparking plugs structurally combined with other devices with transformers, e.g. for high-frequency ignition

Definitions

  • the invention relates to a microwave ignition device for igniting an ignitable fluid in a combustion chamber of an internal combustion engine. Furthermore, the invention relates to a method for igniting an ignitable fluid in a combustion chamber of an internal combustion engine and an internal combustion engine having at least one combustion chamber.
  • Ignition devices and ignition methods for igniting an ignitable fluid or fluid mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine which provide a pre-chamber, are basically known in various design variants from the prior art.
  • a prechamber is a small combustion chamber that adjoins an actual combustion chamber of an internal combustion engine and is separated from the actual combustion chamber.
  • the volume bounded by an antechamber, the interior of the antechamber or the inner cavity of the antechamber, is provided and designed in particular to accommodate an ignitable fluid and is typically significantly smaller than the volume of the actual combustion chamber.
  • connection in the form of at least one bore or a channel through the outer wall of the antechamber into the interior of the antechamber for the exchange of fluid with the combustion chamber, in particular such that ignitable fluid from the combustion chamber into the antechamber.
  • a small part of the ignitable fluid already in a combustion chamber passes through the at least one bore during the course of a compression process in the combustion chamber, driven by the increase in pressure in the combustion chamber through the at least one bore from the combustion chamber into the antechamber.
  • ignitable fluid is introduced directly into the antechamber or is provided in the antechamber.
  • the at least one hole is also used to allow hot, volatile combustion products to escape from the interior of the antechamber into the combustion chamber after the ignition of ignitable fluid in the antechamber.
  • an ignitable fluid When an ignitable fluid is ignited in a combustion chamber of an internal combustion engine comprising an ignition system with an antechamber, an ignitable fluid is first ignited in the inner cavity of the antechamber.
  • the ignition typically takes place with a conventional spark plug, as is also used for the direct ignition of an ignitable fluid in a combustion chamber of an internal combustion engine. Ignition and subsequent combustion of a fluid in the interior cavity of the prechamber results in the propagation of flare jets, jets of flame, jets or the like of hot volatile combustion products through the at least one bore from the interior cavity of the prechamber into the combustion chamber . As a result, ignitable fluid in the combustion chamber is also ignited.
  • the ignition of the ignitable fluid in the combustion chamber takes place, in particular when several flare jets spread (if there are several holes in the pre-chamber wall for this purpose) from the inner cavity of the pre-chamber into the combustion chamber in different spatial areas of the interior of the combustion chamber in contrast to the Ignition by means of the ignition spark of a conventional spark plug or the like not only at the location of the ignition spark, but spatially distributed at many points in the combustion chamber, quasi simultaneously.
  • the ignition of an ignitable fluid in a combustion chamber of an internal combustion engine by means of an antechamber can in particular the ignition behavior and the Significantly improve the combustion process (including ignition, propagation of the flame front) of lean air-fuel mixtures as corresponding ignitable fluids or fluid mixtures.
  • the excess air in lean air-fuel mixtures leads to unfavorable ignition conditions and thus to insufficient ignition of the air-fuel mixture with conventional ignition with a local ignition spark.
  • the decreasing flame speed results in longer burning times and consequently insufficient burn-through, ie combustion may be incomplete or come to a premature standstill.
  • the ignition and ignition behavior of such lean ignitable fluids can be significantly improved by igniting lean air-fuel mixtures by means of an ignition system comprising a prechamber, whereby the efficiency of an internal combustion engine with such an ignition system with combustion of lean fluids and the pollutant emissions are improved , especially CO emissions, are reduced.
  • Ignition devices and ignition methods known from the prior art for igniting a fluid or fluid mixture in a combustion chamber of an internal combustion engine which provide passive and/or active prechamber ignition devices, include conventional spark plugs for igniting the ignitable fluid inside the prechamber.
  • the ignition is typically caused by an ignition spark in the area of the antechamber floor.
  • the antechamber floor designates that end of the interior or inner cavity of an antechamber which is at the other end, in the vicinity of which there is at least one borehole for the exchange of fluid with and for the transfer of hot, volatile combustion products from the inner cavity of the antechamber into an associated combustion chamber is provided opposite.
  • the ignition therefore takes place at a point in the interior of the antechamber which is further away from the at least one bore than most other points in the interior.
  • This type of ignition often fails, especially at low load points or at idle speed, because combustion products (residual gas or the like) accumulate in the pre-chamber floor, which counteracts reliable ignition. remedy For example, one could purge the prechamber to remove the combustion products from the prechamber, but such a solution would significantly increase the complexity of a prechamber ignition device as well as a corresponding prechamber ignition method for an internal combustion engine.
  • Another disadvantage of the ignition devices and ignition methods known from the prior art, which provide prechambers is the short service life of the spark plugs in the prechambers. The spark plugs are only insufficiently cooled and are therefore exposed to high temperatures regularly and over long periods of time. The high temperatures reduce the service life and ensure that the known ignition devices have a short service life.
  • the invention is therefore based on the object of proposing an ignition device and an ignition method for an internal combustion engine which, compared to the solutions known from the prior art, has significantly increased reliability and durability and for all possible operating states of an internal combustion engine enables safe and reliable ignition of the ignitable fluid provided for operating the internal combustion engine.
  • a microwave ignition device for igniting an ignitable fluid in a combustion chamber of an internal combustion engine according to claim 1, an internal combustion engine according to claim 6 and a method for igniting an ignitable fluid in a combustion chamber of an internal combustion engine according to claim 7.
  • a microwave ignition device comprises at least one hollow body with a preferred longitudinal axis and two opposite ends spaced apart along the preferred longitudinal axis, the hollow body comprising at least one cavity, the cavity at least partially acting as an antechamber for receiving an ignitable fluid in an interior the antechamber is formed, the antechamber directly adjoins the first end of the hollow body and an outer wall of the hollow body bordering the antechamber/cavity in a vicinity of the first end has at least one bore extending completely through the wall from an inside to an outside , which allows an exchange of fluid between the antechamber and an exterior space and is formed in addition to the exit of hot volatile combustion products from the antechamber into an exterior space, wherein the cavity is at least partially designed as a cavity resonator for microwave radiation, in the second End of the hollow body from external microwave radiation can be coupled and the cavity resonator at least partially coincides with the antechamber, and wherein in a vicinity of the first end around an outer wall of the
  • the hollow body can be formed in one piece or in several parts or in segments--if the individual parts or segments from which the hollow body is formed all successively adjoin one another along the preferred longitudinal axis.
  • the preferred longitudinal axis along which the hollow body extends between its two longitudinal ends can be an axis of symmetry for individual segments, ie for individual sections of the hollow body along the preferred longitudinal axis, or for the entire hollow body, but this is by no means mandatory is. Symmetry with respect to the preferred longitudinal axis can also be limited to individual aspects of the design of the hollow body, for example the outer design (e.g.
  • the outer circumferential jacket or the like) of the hollow body can be designed approximately symmetrically in one segment, which in this
  • the cavity or partial cavity arranged in a segment inside the hollow body can deviate from the symmetry of the outer configuration in this segment or vice versa.
  • the outer design of a segment of the hollow body can be cylindrical or rotationally symmetrical, but the inner cavity or partial cavity in this segment can be oblong-rectangular, with a preferred longitudinal axis of the cavity or Partial cavity (if such is definable) does not have to coincide with the preferred longitudinal axis of the hollow body.
  • the preferred longitudinal axis of the cavity or partial cavity can run parallel to the preferred longitudinal axis of the hollow body at a distance, or also enclose an angle with it.
  • hollow body has at least one inner cavity.
  • the hollow body can also have several cavities. If, when there are several cavities inside the hollow body, some of the cavities or all of the cavities are connected to one another, optionally indirectly via at least one other of the cavities, it can be expedient to design this as a coherent cavity with different partial cavities or cavity segments (when the cavities in question are successively attached along the preferred longitudinal axis of the hollow body.
  • the hollow body has a jacket or the like as an outer boundary of the hollow body in relation to an exterior space, other (cavity) spaces, other bodies, objects, devices, apparatuses, etc . If the hollow body is formed from a number of parts and/or segments, then the casing is divided and/or segmented at least accordingly.
  • the hollow body is preferably made of a material that is at least heat- and pressure-resistant and has good electrical conductivity, advantageously metallic.
  • different parts and/or segments of the hollow body can be made of different materials.
  • Inner walls, inner lateral surfaces or the like as the immediate boundary of the cavity, the cavities and/or the partial cavities of the hollow body can be at least partially provided with coatings that (even further) improve the electrical conductivity.
  • this, ie the interior of the antechamber, is preferably designed in such a way that a combustion chamber can be drawn through the at least one bore During a compression process, fluid can flow from the combustion chamber into the antechamber in the combustion chamber in the most streamlined manner possible.
  • the antechamber at the first end is particularly preferably also designed in such a way that hot, volatile combustion products are accelerated even further during the transition from the antechamber through the at least one bore, in order to ensure the widest possible spread of the hot, volatile combustion products. products in the form of flare jets, (flame) 'jets' or the like.
  • bores are provided in the wall of the hollow body bordering the antechamber at the first end, these are preferably arranged and aligned in such a way that hot, volatile combustion products can spread through each of the bores in the form of flare jets into different spatial areas of a combustion chamber , in order to be able to ignite the ignitable fluid in the combustion chamber quasi-simultaneously by means of the flare jets at as many points as possible inside the combustion chamber.
  • the antechamber is at least partially designed as a cavity resonator for microwave radiation.
  • the essential characteristic of the antechamber is that it is provided and designed to hold ignitable fluid, which is or can also be ignited in the antechamber and at least partially burns within the antechamber.
  • the essential characteristic of the cavity resonator is that microwave radiation can be coupled into the cavity resonator and when microwave radiation is coupled into the cavity resonator, a standing electromagnetic wave is formed in the cavity resonator.
  • the essential characteristics of the prechamber and cavity resonator and the resulting design of the prechamber and cavity resonator can be combined with one another at least partially (regionally, segmentally) or completely.
  • the antechamber can thus completely enclose or contain the cavity resonator and thus extend beyond the cavity resonator on both sides, for example, in particular along the preferred longitudinal axis of the hollow body in the axial direction.
  • the cavity resonator can also coincide with the antechamber, so that the antechamber and cavity resonator cannot be clearly distinguished from one another are, ie the interior (i.e. the respective inner cavity) of the antechamber and the cavity resonator basically occupy the same spatial volume element in the hollow body.
  • the cavity resonator can extend in particular along the preferred longitudinal axis of the hollow body to the second end of the hollow body beyond the antechamber.
  • a boundary, wall, edging or the like of the antechamber towards the second end of the hollow body must therefore on the one hand represent an impenetrable barrier, in particular for flammable fluid that is or can be accommodated in the antechamber, but at the same time must not block the microwave radiation, otherwise the Cavity resonator can not fulfill its intended function.
  • At least two means for local field enhancement are arranged or formed on the inside surrounding an outer wall of the cavity resonator.
  • Three or more means for local field enhancement are preferably provided.
  • the means for local field enhancement influence the distribution of the electrical field in the cavity resonator when microwave radiation is coupled into the cavity resonator and a standing electromagnetic wave forms in the cavity resonator.
  • the means for local field enhancement preferably protrude from the outer circumferential wall of the cavity resonator a little way into the interior/the inner cavity of the cavity resonator, approximately essentially in the direction of a center of the cross section of the cavity resonator at the respective position which the respective means for local field increase is arranged or formed in relation to the preferred longitudinal direction of the hollow body and/or primarily in the radial direction.
  • the means for local field enhancement bring about particularly high electric field strengths, particularly in the vicinity of a respective free end of each means for local field enhancement.
  • the means for local field enhancement are or are arranged or formed where in the cavity resonator, depending on the characteristics (in particular wavelength) of the microwave radiation provided, in the coupling of microphones row wave radiation in the cavity resonator forming standing electromagnetic wave particularly high electric field strengths are present.
  • the means for local field increase may change the field distribution in the cavity resonator compared to an identical cavity resonator without such means for local field increase.
  • the means for local field enhancement can have the basic form of a more or less pronounced tip protruding into the interior of the cavity resonator from the inner peripheral wall of the cavity resonator. However, such a design is by no means necessary or even mandatory.
  • the means for local field enhancement are arranged in a region or segment of the cavity resonator which coincides with the antechamber (or vice versa). If flammable fluid is contained in the antechamber and microwave radiation is coupled into the cavity resonator, which in turn leads to the formation of a standing electromagnetic wave in the cavity resonator, one or more are formed at least between the means for local field enhancement by the flammable fluid Flashovers or arcs that ignite the ignitable fluid in the antechamber.
  • the flashovers or arcs form depends on many factors, including the detailed design of the means for local field enhancement, their number and their arrangement/distribution around the cavity resonator.
  • An asymmetrical or non-uniform arrangement/distribution of the means for local field enhancement running around the inside of the outer wall of the cavity resonator enables the use of a broader band frequency range of microwave radiation.
  • the means for local field enhancement can be designed differently for this purpose, for example by protruding to different extents into the cavity resonator.
  • a first end of the cavity resonator can coincide with the first end of the antechamber and thus at the same time with the first end of the hollow body.
  • the first end of the cavity resonator can also be arranged at a certain axial distance from the first end of the antechamber/hollow body as a whole inside the antechamber.
  • this should not be understood to mean that a wall or the like extends across the antechamber at this point, which on the one hand would serve as a reflector for microwave radiation, but on the other hand would also divide the antechamber into two separate chambers, which is rather inexpedient were.
  • the antechamber In the area of the first end, the antechamber can be closed for aerodynamic reasons (optimization of the inflow of ignitable fluid from an associated combustion chamber into the antechamber) and for thermodynamic reasons (optimization of the propagation of hot, volatile combustion products from the antechamber into the combustion chambers - a) be designed approximately like a nozzle with a cross section that tapers towards the first end. Depending on the wavelength of the intended microwave radiation, this cross-section can become too small for the microwave radiation to be able to propagate further to the first end of the antechamber (cf. cut-off frequency) and thus represents a kind of virtual (reflecting) wall and a corresponding virtual first end of the cavity resonator.
  • the antechamber is spatially separated from the rest of the cavity and/or from all other (partial) cavities of the hollow body by an at least partially microscopically transparent barrier.
  • the microwave-transparent rente barrier closes off the antechamber in the direction of the second end of the hollow body and in particular prevents ignitable fluid and hot volatile combustion products from flowing out of the antechamber in the direction of the second end of the hollow body and into other parts, areas of the segments of the cavity that are not part of the antechamber and/or penetrate into other (partial) cavities of the hollow body.
  • the microwave-transparent barrier is preferably resistant to severe, sudden temperature and pressure changes and other stresses that are to be expected in the immediate vicinity of a combustion chamber for the combustion of ignitable fluids.
  • the barrier is preferably made of a ceramic material that is transparent to the intended microwave radiation.
  • microwave radiation is coupled into the cavity resonator eccentrically and/or asymmetrically. This breaks the symmetry of the cavity and causes many resonant modes to couple in the cavity. This also considerably reduces the problem with regard to microwave radiation which is or can be coupled into a microwave feed to the cavity resonator, from which microwave radiation can be coupled into the cavity resonator, and possibly also runs further back to a microwave source or is reflected back .
  • a further part of the cavity and/or a further cavity of the hollow body extends between the second end of the hollow body and the cavity resonator, is designed as a microwave waveguide, into which the am second end microwave radiation can be coupled.
  • the microwave ignition source also includes a piece of microwave waveguide for guidance in addition to the antechamber and cavity resonator of microwave radiation from the second end of the hollow body to the cavity resonator, more precisely: to the second end of the cavity resonator.
  • the second end of the cavity resonator and the second end of the hollow body are spaced apart from one another in the axial direction.
  • the second ends of the cavity resonator and hollow body can coincide, optionally also with the second end of the antechamber.
  • the at least one bore has a diameter of between 0.2 mm and 1.3 mm.
  • the specification refers to a hole with a circular cross-section and corresponding cross-sectional area.
  • a corresponding equivalent (identical-sized) circular area should be used.
  • Such particularly small bores are advantageous for improving the ignition behavior of a microworld ignition device according to the invention in combination with an internal combustion engine in which the use of highly charged ignitable fluids is provided. Hydrogen-air (gas) mixtures are mentioned as an example of highly charged ignitable fluids or fluid mixtures.
  • the pressure in the combustion chamber is over 150 bar.
  • the high pressure is linked to a high compression of the ignitable fluid in a combustion chamber of a supercharged internal combustion engine in the course of a compression process in the combustion chamber with a seamless transition to (subsequent) ignition of the ignitable mixture.
  • the high compression typically results in a significantly higher dielectric strength of the ignitable fluid.
  • this inhibits the formation of ignition sparks between the electrodes of the spark plugs.
  • Highly supercharged internal combustion engines with ignition devices known from the prior art therefore suffer from efficiency losses and insufficient running smoothness due to frequent ignition failures.
  • ignitable fluid in a combustion chamber of an internal combustion engine associated with the microwave ignition device according to the invention is delayed during a compression process with regard to the pressure increase in the antechamber compared to the combustion chamber.
  • the maximum pressure in the antechamber or in the proportion of ignitable fluid contained in the antechamber compared to the associated combustion chamber immediately before ignition can thus be significantly lower by more than an order of magnitude. Accordingly, the dielectric strength of the portion of ignitable fluid accommodated in the antechamber is also considerably lower than that of the (main) part of the ignitable fluid accommodated in the associated combustion chamber. This means that even highly charged internal combustion engines can be safely and reliably ignited by means of a microwave ignition device according to the invention.
  • An internal combustion engine according to the invention with at least one combustion chamber has a microwave ignition system corresponding to one of the configurations of a microwave ignition system according to the invention described above or any combination of these configurations. At least one microwave ignition system according to the invention is preferably assigned to each combustion chamber of such an internal combustion engine.
  • a method for igniting an ignitable fluid in a combustion chamber of an internal combustion engine comprises at least the following steps: a. Providing a cavity, a first spatial area of the cavity being designed at least partially to accommodate an ignitable fluid and a further, second spatial area of the cavity being designed in such a way that a standing electromagnetic wave is formed in the second area when microwave radiation is introduced , wherein the second area at least partially coincides with the first area, wherein at least one connection between the first region and the combustion chamber enables an exchange of fluid between the first region and the combustion chamber and the transfer of hot volatile combustion products from the first region into the combustion chamber, wherein in a vicinity of the end of the connection in at least two means for local field enhancement are provided at points at which particularly high electric field strengths are to be expected when a standing electromagnetic wave is present in the second area, surrounding the first area on the inside surrounding the second area; b.
  • the at least one connection has such a sufficiently small cross section that during a compression process the pressure increase in the combustion chamber in the first region of the cavity compared to the The pressure rise in the combustion chamber is delayed and the maximum pressure immediately before the ignition of a fluid in the first region is no more than one tenth, preferably no more than one twentieth, of the pressure in the combustion chamber.
  • connection thus inhibits the flow of ignitable fluid from the combustion chamber into the first area of the cavity in the course of the compression process affecting the combustion chamber to such an extent that up to a point in time immediately before the ignition of the ignitable fluid located in the first area Fluid sufficient ignitable fluid has reached the first area for reliable ignition from the combustion chamber, the pressure and in the first area and thus in the fluid located there and its compression is still considerably lower than in the combustion chamber and the ( Main) part of the ignitable fluid is.
  • the pressure in the first area can be of the cavity at the time of maximum compression in the combustion chamber immediately before ignition can be significantly lower than the pressure in the combustion chamber.
  • the pressure in the first region of the cavity can be limited to less than 10 bar.
  • the part of the ignitable fluid located in the first region of the cavity also has a significantly lower dielectric strength with significantly lower compression and a significantly lower pressure compared to the (main) part of the ignitable fluid located in the combustion chamber.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment variant of a microwave ignition device according to the invention in a first longitudinal sectional view
  • FIG. 2 shows the microwave ignition device according to the invention according to FIG. 1 in a second longitudinal sectional view
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a second embodiment variant of a microwave ignition device according to the invention in a first longitudinal sectional view
  • FIG. 4 shows the microwave ignition device according to the invention according to FIG. 3 in a second longitudinal sectional view
  • FIG. 5 shows a third embodiment variant of a microwave ignition device according to the invention in a longitudinal sectional view
  • FIGS show a view of the interior in the direction of the first end (left) and an associated longitudinal sectional view (right) of a segment of the hollow body of a microwave ignition device according to the invention in the area of the first end based on the embodiment variant according to FIGS Design variant concerning the means for local field superelevation;
  • FIG. 7 shows a view corresponding to FIG. 6 with an alternative embodiment relating to the means for local field enhancement
  • FIGS. 6 and 7 shows a view corresponding to FIGS. 6 and 7 with a further alternative embodiment relating to the means for local field enhancement;
  • FIGS. 6 to 8 shows a view corresponding to FIGS. 6 to 8 with an additional alternative embodiment relating to the means for local field enhancement
  • FIGS. 6 to 9 shows a view corresponding to FIGS. 6 to 9 with yet another alternative embodiment relating to the means for local field enhancement
  • 11 shows a view corresponding to FIGS. 6 to 10 with yet another alternative embodiment relating to the means for local field enhancement.
  • FIG. 1 shows an embodiment variant of a micro-wave ignition device 1 according to the invention, shown schematically in a first longitudinal sectional view.
  • FIG. 2 shows the microwave ignition device 1 from FIG. 1 in a further longitudinal sectional view, the sectional plane of this longitudinal sectional view being orthogonal to the sectional plane of the longitudinal sectional view from FIG.
  • the basic element of the microwave ignition device 1 is an elongate hollow body 2 that extends between a first or front end 3 and a second or rear end 4 along a preferred longitudinal axis that is not explicitly marked in the figures.
  • the alternative designation of the first end 3 of the hollow body 2 as the front end and the second end 4 as the rear end occurs without restricting generality.
  • the outer basic shape, ie the jacket or the outer jacket surface(s), of the hollow body 2 is essentially rotationally symmetrical to the preferred longitudinal axis.
  • the basic external shape enables the use of the microwave ignition device 1 as a direct replacement for known ignition devices both without a pre-chamber, for example conventional spark plugs, and with a pre-chamber without major changes to existing designs of internal combustion engines.
  • the hollow body 2 has two different cavities 5 and 6, which each extend through different areas of the hollow body 2 along the preferred longitudinal axis and meet at one point along the preferred longitudinal axis and are directly connected to one another. Therefore, the cavities 5 and 6 could also be considered as two partial cavities of a single connected cavity of the hollow body.
  • the first cavity 5 of the hollow body 2 has a rotationally symmetrical basic shape with the preferred longitudinal axis of the hollow body 2 as the axis of symmetry.
  • the first cavity 5 is designed both partially as an antechamber 9 and partially as a cavity resonator 8, with the antechamber 9 and cavity resonator 8 also partially coinciding.
  • the antechamber 9 extends from the first or front end 3 of the hollow body 2, which is also the first or front end of the antechamber 9, up to a pressure window 10.
  • the pressure window 10 is fitted into the first cavity 5 and provides a spatial barrier between the antechamber 9 and another, toward the second end of the hollow body 2, onto the antechamber 9 following further partial area of the first cavity 5, the intermediate cavity 11, and the second cavity 6 then adjoining it.
  • a number of bores 12 are formed in the wall of the antechamber 9 or the hollow body 2, with FIGS for the sake of clarity, only some of the bores 12 are explicitly referenced.
  • the bores 12 allow ignitable fluid to pass or flow in from a combustion chamber of an internal combustion engine, to which the microwave ignition system 1 is assigned or can be assigned, into the antechamber 9.
  • the bores 12 allow hot, volatile combustion products to exit from the antechamber 9 into the associated combustion chamber after the ignitable fluid contained in the antechamber has been ignited in the antechamber.
  • the front part of the antechamber 9, which occupies about a quarter of the entire length of the antechamber 9, is designed to taper towards the first or front end 3 compared to the rest of the antechamber 9. Comparable to a nozzle, this serves to improve the flow of hot, volatile combustion products from the antechamber 9 through the bores 12 also arranged in the front area of the antechamber 9 into an associated combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the cavity resonator 8 also includes the pressure window 10 and the intermediate cavity 11 from the first cavity 5 of the hollow body 2 .
  • the cavity resonator 8 serves to form a stationary electromagnetic world in its interior.
  • microwave radiation can be coupled into the cavity resonator 8, with microwave radiation first being coupled into the hollow body 2 at its second or rear end 4 into the second cavity 6, designed as a microwave waveguide 7, of the hollow body 2
  • the pressure window 10 is a spatial barrier or wall
  • the pressure window 10 must only impede the intended microwave radiation to a small extent, for example for ignitable fluid contained in the antechamber and also for hot, volatile combustion products and thus forms the second or rear end of the antechamber 9, but is also arranged in the middle of the cavity resonator 8.
  • the pressure window 10 is therefore made of a microwave-transparent ceramic material that also permanently withstands the conditions in the immediate vicinity of combustion of an ignitable fluid, such as strong, sudden pressure and temperature fluctuations and high peak pressures and peak temperatures.
  • the microwave ignition system 1 in the configuration variant according to FIGS. 1 and 2 is designed, for example, for microwave radiation from the Ka band (frequency range from 26.5 GHz to 40 GHz).
  • the microwave waveguide 7 is a WR34 rectangular waveguide.
  • the microwave waveguide 7 extends from the second or rear end 4 of the hollow body 2, which is also the second or rear end of the microwave waveguide 7, to the first cavity 5, where the microwave waveguide 7 is connected with its first or front end to its second or rear End in the cavity resonator 8 and at the same time in the first cavity 5 of the hollow body 5 opens.
  • the mouth of the microwave waveguide 7 in the cavity resonator 8 is somewhat eccentric to the preferred longitudinal axis of the hollow body 2, which in turn is the preferred longitudinal axis or (rotational) symmetry axis of the cavity resonator 8 at the same time.
  • the center of the rectangular cross section of the microwave waveguide 7 coincides with the preferred longitudinal axis
  • the center of the rectangular cross section of the microwave waveguide 7 is at a distance from the preferred longitudinal axis.
  • the first end of the microwave waveguide 7 is slightly lower at the mouth into the cavity resonator 8 than at the second or rear end 4 own preferred longitudinal axis, close the preferred longitudinal axis of the hollow body 2 and the preferred longitudinal axis of the microwave waveguide 7 a small acute angle and intersect at a point on the second or rear end of the microwave waveguide 7 or the hollow body 2.
  • the eccentric and thus deviating from the symmetry of the cavity resonator 8 confluence of the microwave waveguide 7 in the cavity resonator 8 enables the coupling of many Resonance modes of microwave radiation in the cavity resonator 8 and at the same time significantly reduces the problem of microwave radiation reflected from the cavity resonator 8 back into the microwave waveguide 7 .
  • means for local field increase 13 is formed.
  • the means for locally increasing the field 13 protrude into the interior, ie the inner cavity, of the cavity resonator 8 .
  • the means for local field increase 13 influence the distribution of the electric field in the cavity resonator 8 when microwave radiation is introduced or coupled into the cavity resonator 8 and a standing electromagnetic wave forms in the cavity resonator 8 .
  • the means for local field increase 13 cause particularly high electric field strengths at a respective free end of each means for local field increase 13 that protrudes into the cavity resonator 8.
  • the means for local field increase 13 are arranged or formed there or are where particularly high electric field strengths are present in the cavity resonator 8 as a function of the characteristics (in particular wavelength) of the microwave radiation provided in the case of the standing electromagnetic wave forming in the cavity resonator 8 by coupling microwave radiation.
  • the means for local field increase may change the field distribution in the cavity resonator 8 compared to an identical cavity resonator 8 without such means for local field increase 13 .
  • FIGS. 3 and 4 show a second embodiment variant of a microwave ignition system 1 according to the invention in a respective schematic longitudinal sectional view, the sectional plane of the longitudinal sectional view in FIG. 4 being orthogonal to the sectional plane of the longitudinal sectional view in FIG.
  • the eccentricity/asymmetry of the microwave waveguide 7 at the opening into the first cavity 5 or the cavity resonator 8 is somewhat more pronounced.
  • the microwave waveguide 7 also has a rectangular cross section, which, however, tapers continuously (linearly) from the second end 4 to the first end, ie towards the opening into the cavity resonator 8 . This can be seen in particular from FIG.
  • FIGS. 1 and 2 an S-shaped (in the longitudinal section) tapering of the first cavity 5 or the antechamber 9 towards the first or front end 3 is provided, in the second exemplary embodiment in FIGS. Figures 3 and 4, on the other hand, are tapered.
  • the means for local field increase in the second embodiment variant of a microwave ignition system 1 according to the invention are not formed integrally with the outer wall of the first cavity 5/the cavity resonator 8/the antechamber 9.
  • means for local field enhancement 13 are inserted through recesses or bores (not explicitly referenced in the figures) in the outer wall from the outside into the wall and extend a little in the radial direction into the cavity resonator 8 and thus into the antechamber 9 at the same time.
  • the means for local field increase 13 are cylindrical and therefore do not have a pronounced peak shape.
  • FIG. 5 shows a longitudinal sectional view of a third embodiment variant of a microwave ignition system 1 according to the invention.
  • the third embodiment variant has a simple rectangular microwave waveguide 7 for guiding microwave radiation from the second or rear end of the microwave waveguide 7 or the hollow body 2 to the opening of the microwave waveguide 7 at its first end into the second end of the first cavity 5 on.
  • the microwave waveguide 7 does not open eccentrically/asymmetrically into the first cavity 5, nor does the cross section of the microwave waveguide 7 change between the two ends.
  • FIG. 5 shows a longitudinal sectional view of a third embodiment variant of a microwave ignition system 1 according to the invention.
  • the second end of the cavity resonator 9 forms an eccentric or asymmetrical perforated diaphragm 14, ie a (conductive/metallic) partition inserted into the first cavity 5 with an eccentric or asymmetrical to the preferred longitudinal axis of the hollow body 2 and at the same time the axis of rotational symmetry of the cavity resonator 8 arranged recess, which allows entry of microwave radiation into the cavity resonator 8.
  • the perforated diaphragm 14 performs the same function as an eccentrically or asymmetrically arranged opening of the microwave waveguide 7.
  • the first end of the microwave waveguide 7 does not open directly into the cavity resonator as in the two 1 and 2 or 3 and 4, but in the first cavity 5 of the hollow body 2.
  • the cavity resonator 8 ends, as mentioned, already at the pinhole 14 as the second end and thus still inside the antechamber 9, the second end of which, as in the other two design variants, is formed by the interface of the thrust washer 10 facing the first end 3 of the hollow body 2/first cavity 5/antechamber 9.
  • the intermediate cavity 11 is again used for the impedance matching of microwaves during the transition from the microwave waveguide 7 into the first cavity 5 .
  • FIG. 6 the left of the two representations shows a view along the preferred longitudinal axis of a hollow body 2 of a microwave ignition system 1 according to the invention into the interior of the hollow body 2 in the area of its first or front end 3 and thus into the interior of the first hollow body 5/ of the cavity resonator 8/the antechamber 9 is shown.
  • a longitudinal sectional view of an end area or section of the hollow body 2 is shown at its first or front end 3 .
  • the basic shape of the hollow body 2 corresponds at its first or front end 3 to that of the first embodiment variant of a microwave ignition system 1 according to the invention shown in Figures 1 and 2.
  • the focus of the illustration in Figure 6 is on the design of the means for local field enhancement 13, which is why in particular, only a front end section of the hollow body 2 is shown in the longitudinal sectional view.
  • the means for local field enhancement 13 are designed as rectangular webs with an overhang.
  • six identically designed means for local field increase 13 are arranged equidistantly spaced around the inside of the outer wall of the first cavity 5/cavity resonator 8/antechamber 9.
  • FIG. 7 The other Figures 7 to 11 are based on the illustration in Figure 6 and show alternative designs of means for local field increase 13.
  • the means for local field increase are all identically designed and on the inside around the outer wall of the first cavity 5/cavity resonator 8/prechamber 9 circumferentially spaced equidistantly.
  • six means for local field enhancement 13 designed as round webs with an overhang are provided.
  • twelve means for local field enhancement 13 designed as narrow, rectangular webs with an overhang are provided.
  • the dome 15 is also to be regarded as a means for local field enhancement 13, with the dome 15 having its own designation and a assigned its own reference number.
  • the basic external shape enables the use of the microwave ignition devices 1 according to the invention shown as an example in the figures in internal combustion engines without major changes to known or existing designs of internal combustion engines.
  • the basic design of the exemplary designs of microwave spark plugs 1 shown in the figures can be adapted to any sizes and/or power classes of internal combustion engines.
  • Microwave radiation from the Ka band (frequency range from 26.5 GHz to 40 GHz) was used in the above exemplary embodiment.
  • another suitable microwave radiation from a different band for example X-band (frequency range from 7.0 GHz to 11.2 GHz), can be used with appropriate adjustment.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenzündvorrichtung (1) zur Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors und einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einer Brennkammer.

Description

- Mikrowellen-Vorkammerzündung fur einen Verbrennungsmotor
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenzündvorrichtung zur Zündung eines zündfä- higen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors. Des Weiteren be- trifft die Erfindung ein Verfahren zur Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors und einen Verbrennungsmotor mit we- nigstens einer Brennkammer.
Zündvorrichtungen und Zündverfahren zur Zündung eines zündfähigen Fluids oder Fluidgemischs in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors, die eine Vorkam- mer vorsehen, sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich in diversen Ausge- staltungsvarianten bekannt. Eine Vorkammer ist dabei im Prinzip eine an eine ei- gentliche Brennkammer eines Verbrennungsmotors angrenzende, von der eigent- lichen Brennkammer abgetrennte, kleine Brennkammer. Das von einer Vorkammer berandete Volumen, das Innere der Vorkammer bzw. der innere Hohlraum der Vor- kammer, ist insbesondere zur Aufnahme eines zündfähigen Fluids vorgesehen und ausgebildet und typischerweise deutlich kleiner als das Volumen der eigentlichen Brennkammer. Zwischen einer Vorkammer und der eigentlichen Brennkammer be- steht etwa in Form wenigstens einer Bohrung oder eines Kanals durch die äußere Wandung der Vorkammer in das Innere der Vorkammer eine Verbindung zum Aus- tausch von Fluid mit der Brennkammer, insbesondere so, dass zündfähiges Fluid aus der Brennkammer in die Vorkammer gelangen kann. Bei passiven Zündvor- richtungen gelangt so ein kleiner Teil von bereits in einer Brennkammer befindliches zündfähiges Fluid im Zuge eines Kompressionsvorgangs in der Brennkammer durch die zumindest eine Bohrung, getrieben durch die Erhöhung des Drucks in der Brennkammer durch die zumindest eine Bohrung aus der Brennkammer in die Vor- kammer. Bei alternativen aktiven Ausführungen von Zündvorrichtungen und ent- sprechenden Zündverfahren ist vorgesehen, dass (zusätzlich) zündfähiges Fluid direkt in die Vorkammer eingebracht bzw. in der Vorkammer vorgesehen wird. Die zumindest eine Bohrung dient des Weiteren dem Austrit von heißen flüchtigen Ver- brennungsprodukten aus dem Inneren der Vorkammer in die Brennkammer nach der Zündung von zündfähigem Fluid in der Vorkammer.
Bei Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungs- motors umfassend ein Zündsystem mit einer Vorkammer wird zunächst ein zünd- fähiges Fluid in dem inneren Hohlraum der Vorkammer gezündet. Die Zündung er- folgt dabei typischerweise mit einer konventionellen Zündkerze, wie sie auch bei der direkten Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Ver- brennungsmotors verwendet werden. Die Zündung und anschließende Verbren- nung eines Fluids in dem inneren Hohlraum der Vorkammer führt zu der Ausbrei- tung von Fackelstrahlen, Flammenstrahlen, Jets' oder dergleichen heißer flüchtiger Verbrennungsprodukte durch die wenigstens eine Bohrung aus dem inneren Hohl- raum der Vorkammer in die Brennkammer hinein. Dadurch wird dann in der Brenn- kammer befindliches zündfähiges Fluid ebenfalls entzündet. Die Zündung des zündfähigen Fluids in der Brennkammer erfolgt, insbesondere bei Ausbreitung mehrere Fackelstrahlen (beim Vorliegen von mehreren Bohrungen in der Vorkam- merwandung zu diesem Zweck) aus dem inneren Hohlraum der Vorkammer in die Brennkammer in verschiedene räumliche Bereiche des Inneren der Brennkammer im Gegensatz zur Zündung mitels Zündfunke einer konventionellen Zündkerze o- der dergleichen nicht nur an dem Ort des Zündfunkens, sondern räumlich verteilt an vielen Stellen in der Brennkammer quasi simultan.
Die Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungs- motors mitels einer Vorkammer kann insbesondere das Zündverhalten und den Verbrennungsablauf (u. a. Entflammung, Ausbreitung der Flammfront) von mage- ren Luft-Treibstoff-Gemischen als entsprechender zündfähiger Fluide bzw. Fluid- gemische deutlich verbessern. Der Luftüberschuss magerer Luft-Treibstoff-Gemi- sche führt zu ungünstigen Zündbedingungen und damit zu unzureichender Entflam- mung des Luft-Treibstoff-Gemisches bei herkömmlicher Zündung mit einem lokalen Zündfunken. Aus der abnehmenden Flammengeschwindigkeit resultiert eine län- gere Brenndauer und infolgedessen unzureichender Durchbrand, d. h., die Ver- brennung ist gegebenenfalls unvollständig bzw. kommt vorzeitig zum Erliegen. Durch die Zündung magerer Luft-Treibstoff-Gemische mittels eines Zündsystems umfassend eine Vorkammer kann das Zünd- und Entflammverhalten derartiger ma- gerer zündfähiger Fluide deutlich verbessert werden, wodurch der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Zündsystem unter Verbrennung ma- gerer Fluide verbessert und der Schadstoffausstoß, insbesondere auch CO- Emissionen, verringert werden.
Aus dem Stand der Technik bekannten Zündvorrichtungen und Zündverfahren zur Zündung eines Fluids oder Fluidgemischs in einer Brennkammer eines Verbren- nungsmotors, die passive und oder aktive Vorkammerzündvorrichtungen vorsehen, umfassen konventionelle Zündkerzen zum Zünden des zündfähigen Fluids im In- neren der Vorkammer. Dabei wird die Zündung typischerweise durch einen Zünd- funken im Bereich des Vorkammerbodens hervorgerufen. Dabei bezeichnet der Vorkammerboden dasjenige Ende des Inneren bzw. inneren Hohlraums einer Vor- kammer, welches dem anderen Ende, in dessen Umgebung die wenigstens eine Bohrung zum Austausch von Fluid mit und zum Übertrit von heißen flüchtigen Ver- brennungsprodukten aus dem inneren Hohlraum der Vorkammer in eine zugeord- nete Brennkammer vorgesehen ist, gegenüberliegt. Die Zündung erfolgt also an einer Stelle im Inneren der Vorkammer, die von der wenigstens einer Bohrung im Vergleich zu den allermeisten anderen Stellen im Inneren weiter entfernt ist. Be- sonders bei niedrigen Lastpunkten oder bei Leerlaufdrehzahl versagt diese Art der Zündung häufig, denn im Vorkammerboden sammeln sich Verbrennungsprodukte (Restgas oder dergleichen) an, was einer sicheren Zündung entgegenwirkt. Abhilfe könnte etwa eine Spülung der Vorkammer zur Entfernung der Verbrennungspro- dukte aus der Vorkammer schaffen, allerdings würde eine solche Lösung die Kom- plexität einer Vorkammerzündvorrichtung wie auch eines entsprechenden Vorkam- merzündverfahrens für einen Verbrennungsmotor erheblich erhöhen. Ein weiterer Nachteil bei den aus dem Stand der Technik bekannten Zündvorrichtungen und Zündverfahren, die Vorkammern vorsehen, ist die kurze Standzeit der Zündkerzen in den Vorkammern. Die Zündkerzen werden nur ungenügend gekühlt und sind deshalb regelmäßig und auch über längere Zeiträume hohen Temperaturen aus- gesetzt. Die hohen Temperaturen reduzieren die Lebensdauer und sorgen für eine kurze Standzeit der bekannten Zündvorrichtungen.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zündvorrichtung und ein Zündverfahren für einen Verbrennungsmotor vorzuschlagen, welche(s) eine ge- genüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen eine deutlich er- höhte Zuverlässigkeit und Standfestigkeit aufweist und für alle möglichen Betriebs- zustände eines Verbrennungsmotors eine sichere und zuverlässige Zündung des zum Betrieb des Verbrennungsmotors vorgesehenen zündfähigen Fluids ermög- licht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß von einer Mikrowellenzündvorrichtung zur Zün- dung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1 , einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 6 und einem Verfah- ren zur Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbren- nungsmotors nach Anspruch 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Er- findung sind den jeweiligen rückbezogenen Ansprüchen zu entnehmen.
Demnach umfasst eine erfindungsgemäße Mikrowellenzündvorrichtung wenigs- tens einen Hohlkörper mit einer Vorzugslängsachse und zwei entlang der Vorzugs- längsachse beabstandet gegenüberliegende Enden, wobei der Hohlkörper zumin- dest einen Hohlraum umfasst, wobei der Hohlraum zumindest teilweise als eine Vorkammer zur Aufnahme eines zündfähigen Fluids in einem Inneren der Vorkammer ausgebildet ist, wobei die Vorkammer sich unmittelbar an das erste Ende des Hohlkörpers an- schließt und eine die Vorkammer/den Hohlraum berandende äußere Wandung des Hohlkörpers in einer Umgebung des ersten Endes wenigstens eine sich vollständig von einer Innenseite zu einer Außenseite durch die Wandung erstreckende Boh- rung aufweist, die einen Austausch von Fluid zwischen der Vorkammer und einem Außenraum ermöglicht und zusätzlich zum Austrit von heißen flüchtigen Verbren- nungsprodukten aus der Vorkammer in einen Außenraum ausgebildet ist, wobei der Hohlraum zumindest teilweise als Hohlraumresonator für Mikrowellen- strahlung ausgebildet ist, in den vom zweiten Ende des Hohlkörpers her von extern Mikrowellenstrahlung einkoppelbar ist und der Hohlraumresonator wenigstens teil- weise mit der Vorkammer zusammenfällt, und wobei in einer Umgebung des ersten Endes innenseitig umlaufend um eine äußere Wandung des Hohlraumresonators/des Hohlraums wenigstens zwei Mittel zu lokalen Feldüberhöhung angeordnet oder ausgebildet sind.
Der Hohlkörper kann dabei ein- oder mehrteilig bzw. segmentiert - wenn die ein- zelnen Teile bzw. Segmente, aus denen der Hohlkörper ausgebildet wird, alle ent- lang der Vorzugslängsachse sukzessive aneinander anschließen - ausgebildet werden. Die Vorzugslängsachse, entlang derer sich der Hohlkörper zwischen sei- nen beiden längsseitigen Enden entlang erstreckt, kann eine Symmetrieachse für einzelne Segmente, d. h., für einzelne Teilabschnite des Hohlkörpers entlang der Vorzugslängsachse, oder auch für den ganzen Hohlkörper sein, was jedoch kei- nesfalls zwingend ist. Eine Symmetrie bezüglich der Vorzugslängsachse kann sich zudem auch lediglich auf einzelne Aspekte der Ausbildung des Hohlkörpers be- schränken, so kann die äußere Gestaltung (etwa der äußere umlaufende Mantel oder dergleichen) des Hohlkörpers in einem Segment etwa symmetrisch ausgebil- det sein, der in diesem Segment im Inneren des Hohlkörpers angeordnete Hohl- raum oder Teilhohlraum kann von der Symmetrie der äußeren Gestaltung in die- sem Segment jedoch abweichen oder umgekehrt. Beispielsweise kann die äußere Gestaltung eines Segments des Hohlkörpers zylinderförmig bzw. rotationssymmet- risch sein, der innere Hohlraum oder Teilhohlraum in diesem Segment jedoch läng- lich-quaderförmig, wobei zusätzlich eine Vorzugslängsachse des Hohlraums oder Teilhohlraums (sofern eine solche definierbar ist) nicht mit der Vorzugslängsachse des Hohlkörpers zusammenfallen muss. Die Vorzugslängsachse des Hohlraums oder Teilhohlraums kann etwa beabstandet parallel zu der Vorzugslängsachse des Hohlkörpers verlaufen oder auch mit dieser einen Winkel einschließen.
Bereits aus der Bezeichnung als Hohlkörper ist unmitelbar evident, dass besagter Hohlkörper wenigstens einen inneren Hohlraum aufweist. Der Hohlkörper kann auch mehrere Hohlräume aufweisen. Wenn bei Vorliegen mehrerer Hohlräume im Inneren des Hohlkörpers einige der Hohlräume oder alle Hohlräume, gegebenen- falls mitelbar über wenigstens einen weiteren der Hohlräume, miteinander in Ver- bindung stehen, kann es zweckmäßig sein, dies als einen zusammenhängenden Hohlraum mit verschieden Teilhohlräumen oder Hohlraumsegmenten (wenn die betreffenden Hohlräume entlang der Vorzugslängsachse des Hohlkörpers sukzes- sive anschließen) anzusehen. Neben einem oder mehreren Hohlräumen, Teilhohl- räumen oder Hohlraumsegmenten weist der Hohlkörper einen Mantel oder derglei- chen als eine äußere Berandung des Hohlkörpers gegenüber einem Außenraum, anderen (Hohl-)Räumen, andern Körpern, Gegenständen, Vorrichtungen, Appara- turen usw. auf. Wenn der Hohlkörper aus mehreren Teilen und/oder Segmenten gebildet wird, dann ist der Mantel wenigstens entsprechend geteilt und/oder seg- mentiert.
Der Hohlkörper ist vorzugsweise aus einem wenigstens hitze- und druckbeständi- gen sowie gut elektrisch leitfähigem, günstigerweise metallischen, Werkstoff aus- gebildet Bei einer mehrteiligen Ausführung des Hohlkörpers können verschiedene Teile und/oder Segmente des Hohlkörpers aus unterschiedlichen Werkstoffen aus- gebildet sein. Innere Wände, innenseitige Mantelflächen oder dergleichen als un- mitelbare Berandung des Hohlraums, der Hohlräume und/oder der Teilhohlräume des Hohlkörpers können zumindest teilweise mit die elektrische Leitfähigkeit (noch weiter) verbessernden Beschichtungen versehen sein.
An dem ersten Ende des Hohlkörpers und zugleich dem ersten Ende der Vorkam- mer des Hohlkörpers ist dieser, also das Innere der Vorkammer, vorzugsweise der- art ausgebildet, dass aus einer Brennkammer durch die zumindest eine Bohrung bei einem Kompressionsvorgang die Brennkammer betreffend möglichst strö- mungsgünstig Fluid aus der Brennkammer in die Vorkammer gelangen kann. Zu- gleich ist die Vorkammer an dem ersten Ende besonders bevorzugt auch derart ausgebildet, heiße flüchtige Verbrennungsprodukte beim Übergang aus der Vor- kammer durch die zumindest eine Bohrung heraus noch weiter beschleunigt wer- den), um eine möglichst weite Ausbreitung der heißen flüchtigen Verbrennungspro- dukte in Form von Fackelstrahlen, (Flammen-)'Jets‘ oder dergleichen erreichen. Sofern mehrere Bohrungen in der die Vorkammer am ersten Ende berandenden Wandung des Hohlkörpers vorgesehen sind, so sind diese vorzugsweise derart an- geordnet und ausgerichtet, dass sich durch jede der Bohrungen heiße flüchtige Verbrennungsprodukte in Form von Fackelstrahlen in voneinander verschiedene räumliche Bereiche einer Brennkammer ausbreiten können, um in der Brennkam- mer befindliches zündfähiges Fluid mittels der Fackelstrahlen an möglichst vielen Stellen im Inneren der Brennkammern quasi simultan zünden zu können.
Die Vorkammer ist dabei zumindest teilweise als Hohlraumresonator für Mikrowel- lenstrahlung ausgebildet. Das wesentliche Kennzeichen der Vorkammer ist, dass diese zur Aufnahme von zündfähigem Fluid, welches in der Vorkammer auch ge- zündet wird bzw. werden kann und zumindest teilweise innerhalb der Vorkammer verbrennt, vorgesehen und ausgebildet ist. Das wesentliche Kennzeichen des Hohlraumresonators ist hingegen, dass in den Hohlraumresonator Mikrowellen- strahlung einkoppelbar ist und bei Einkopplung von Mikrowellenstrahlung in dem Hohlraumresonator sich eine stehende elektromagnetische Welle in dem Hohl- raumresonator ausbildet. Die wesentlichen Kennzeichen von Vorkammer und Hohl- raumresonator sowie die daraus resultierende Ausbildung von Vorkammer und Hohlraumresonator sind zumindest teilweise (bereichsweise, segmentweise) oder auch vollständig miteinander kombinierbar. Die Vorkammer kann den Hohlraumre- sonator also etwa vollständig einschließen bzw. beinhalten und sich damit bei- spielsweise insbesondere entlang der Vorzugslängsachse des Hohlkörpers in axi- aler Richtung beidseitig über den Hohlraumresonator hinaus erstrecken. Der Hohl- raumresonator kann etwa auch mit der Vorkammer zusammenfallen, sodass Vor- kammer und Hohlraumresonator nicht eindeutig voneinander zu unterscheiden sind, d. h., das Innere (also der jeweilige innere Hohlraum) von Vorkammer und Hohlraumresonator grundsätzlich das gleiche Raumvolumenelement im Hohlkör- per einnehmen. Ebenso kann der Hohlraumresonator sich insbesondere entlang der Vorzugslängsachse des Hohlkörpers zum zweiten Ende des Hohlkörpers hin über die Vorkammer hinaus erstrecken. In diesem Fall muss eine Begrenzung, Wandung, Berandung oder dergleichen der Vorkammer zum zweiten Ende des Hohlkörpers hin demnach einerseits eine undurchdringliche Barriere insbesondere für in der Vorkammer aufgenommenes oder aufnehmbares zündfähiges Fluid dar- stellen, darf aber zugleich die Mikrowellenstrahlung nicht blockieren, da ansonsten der Hohlraumresonator seine vorgesehene Funktion nicht erfüllen kann.
In einer Umgebung des ersten Endes des Hohlkörpers sind innenseitig umlaufend um eine äußere Wandung des Hohlraumresonators wenigstes zwei Mitel zur loka- len Feldüberhöhung angeordnet oder ausgebildet. Vorzugsweise sind drei oder mehr Mittel zur lokalen Feldüberhöhung vorgesehen. Die Mittel zur lokalen Feld- überhöhung beeinflussen die Verteilung des elektrischen Feldes in dem Hohlraum- resonator, wenn in den Hohlraumresonator Mikroweltenstrahlung eingekoppelt wird und sich in dem Hohlraumresonator eine stehende elektromagnetische Welle aus- bildet. Die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung stehen dazu vorzugsweise von der äußeren umlaufenden Wandung des Hohlraumresonators ein Stück weit in das In- nere/den inneren Hohlraum des Hohlraumresonator hinein, etwa im Wesentlichen in Richtung eines Zentrums des Querschnits des Hohlraumresonators an der je- weiligen Position, an der das jeweilige Mittel zur lokalen Feldüberhöhung bezogen auf die Vorzugslängsrichtung des Hohlkörpers angeordnet oder ausgebildet ist und/oder etwa vornehmlich in radialer Richtung. Die Mittel zur lokalen Feldüberhö- hung bewirken gemäß dem Spitzeneffekt besondere hohe elektrische Feldstärken insbesondere in der Umgebung eines jeweiligen freien Endes eines jeden Mittel zur lokalen Feldüberhöhung. Dazu ist es wesentlich, dass die Mittel zur lokalen Feld- überhöhung dort angeordnet oder ausgebildet werden bzw. sind, wo in dem Hohl- raumresonator in Abhängigkeit von den Charakteristika (insbesondere Wellen- länge) der vorgesehenen Mikrowellenstrahlung bei der durch Einkopplung von Mik- rowellenstrahlung sich in dem Hohlraumresonator ausbildenden stehenden elekt- romagnetische Welle besonders hohe elektrische Feldstärken vorliegen. Dabei ist zu beachten, dass die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung die Feldverteilung in dem Hohlraumresonator gegenüber einem identischen Hohlraumresonator ohne solche Mittel zur lokalen Feldüberhöhung gegebenenfalls verändern. Die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung können die Grundform einer mehr oder weniger ausgeprägten, von der innenseitig umlaufenden Wandung des Hohlraumresonators in das Innere des Hohlraumresonators hereinragenden Spitze aufweisen. Eine solche Ausgestal- tung ist jedoch keinesfalls notwendig oder gar zwingend.
Aufgrund des Vorsehens der Mitel zur lokalen Feldüberhöhung in einer Umgebung des ersten Endes des Hohlkörpers sind die Mitel zur lokalen Feldüberhöhung in einem Bereich bzw. Segment des Hohlraumresonators angeordnet, der mit der Vorkammer zusammenfällt (oder umgekehrt). Ist in der Vorkammer zündfähiges Fluid aufgenommen und wird Mikrowellenstrahlung in den Hohlraumresonator ein- gekoppelt, was wiederum zu einer Ausbildung einer stehenden elektromagneti- schen Welle im Hohlraumresonator führt, bilden sich wenigstens zwischen den Mit- teln zur lokalen Feldüberhöhung durch das zündfähige Fluid ein oder mehrere Überschläge bzw. Lichtbögen aus, die das zündfähige Fluid in der Vorkammer zün- den. Wie genau sich die Überschläge bzw. Lichtbögen ausbilden, hängt dabei von vielen Faktoren ab, unter anderem der Detailausbildung der Mittel zur lokalen Feld- überhöhung, ihrer Anzahl und ihrer Anordnung/Verteilung umlaufend um den Hohl- raumresonator herum ab. Eine asymmetrische bzw. ungleichmäßige Anord- nungA/erteilung der Mittel zur lokalen Feldüberhöhung innenseitig umlaufend um die äußere Wandung des Hohlraumresonators herum ermöglicht die Nutzung eines breitbandigeren Frequenzbereichs von Mikrowellenstrahlung. Alternativ können zu diesem Zweck die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung verschieden ausgebildet wer- den, etwa in dem diese unterschiedlich weit in den Hohlraumresonator hineinragen. Aufgrund der Anordnung der Mitel zu lokalen Feldüberhöhung in einer Umgebung (nahe) des ersten Endes des Hohlkörpers und damit zugleich des ersten Endes der Vorkammer, wo auch die wenigstens eine Bohrung vorgesehen ist, ist sicherge- stellt, dass sich stets genügend (frisches) zündfähiges Fluid im Bereich der Mittel zur lokalen Feldüberhöhung befindet und eine Zündung des Fluids in der Vorkam- mern ebenso wie eine sich unmitelbar anschließende Zündung von zündfähigem Fluid in einer dem erfindungsgemäßen Mikrowellenzündsystem zugeordneten Brennkammer eines Verbrennungsmotors sicher und zuverlässig erfolgen kann. Dies gilt insbesondere auch bei längerer zusammenhängender Betriebsdauer der Mikrowellenzündvorrichtung bzw. des Motors mit einer solchen Mikrowellenzünd- vorrichtung.
Ein erstes Ende des Hohlraumresonators kann mit dem ersten Ende der Vorkam- mer und damit zugleich dem ersten Ende des Hohlkörpers zusammenfallen. Das erste Ende des Hohlraumresonators kann jedoch auch mit einem gewissen axialen Abstand von dem ersten Ende von Vorkammer/Hohlkörper als Ganzes im Inneren der Vorkammer angeordnet sein. Allerdings ist dies nicht so zu verstehen, dass sich an dieser Stelle quer durch die Vorkammer eine Wand oder dergleichen er- streckt, welche einerseits zwar als Reflektor für Mikrowellenstrahlung dienen würde, andererseits aber auch die Vorkammer in zwei separate Kammern teilen würde, was eher unzweckmäßig wäre. Im Bereich des ersten Endes kann die Vor- kammer aus strömungstechnischen Gründen (Optimierung der Einströmung von zündfähigem Fluid aus einer zugeordneten Brennkammer in die Vorkammer) wie auch aus thermodynamischen Gründen (Optimierung der Ausbreitung heißer flüch- tiger Verbrennungsprodukte aus der Vorkammer heraus in die Brennkammern hin- ein) etwa wie eine Düse mit sich zum ersten Ende hin verjüngendem Querschnit ausgebildet sein. Dieser Querschnitt kann je nach Wellenlänge der vorgesehenen Mikrowellenstrahlung zu klein werden, als dass sich die Mikrowellenstrahlung noch weiter zum ersten Ende der Vorkammer hin ausbreiten könnte (vgl. Grenzfrequenz) und stellt damit eine Art von virtueller (reflektierender) Wand und ein entsprechen- des virtuelles erstes Ende des Hohlraumresonators dar.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Mik- rowellenzündsystems ist die Vorkammer vom Rest des Hohlraums und/oder von allen weiteren (Teil-)Hohlräumen des Hohlkörpers durch eine zumindest teilweise mikroweltentransparente Barriere räumlich abgetrennt. Die mikrowellentranspa- rente Barriere schließt die Vorkammer in Richtung des zweiten Endes des Hohlkör- pers ab und verhindert insbesondere, dass zündfähiges Fluid und heiße flüchtige Verbrennungsprodukte aus der Vorkammer heraus in Richtung des zweiten Endes des Hohlkörpers strömen und in weitere Teile, Bereiche der Segmente des Hohl- raums, die nicht Teil der Vorkammer sind, und/oder in weitere (Teil-)Hohlräume des Hohlkörpers vordringen. Da die Vorkammer stets zumindest teilweise mit dem Hohlraumresonator zusammenfällt, ist essentiell, dass die Barriere die vorgese- hene Mikrowellenstrahlung nicht weiter behindert, also transparent für die vorgese- hene Mikrowellenstrahlung ist, da ansonsten der Hohlraumresonator seine Funk- tion nicht erfüllen kann. Die mikrowellentransparente Barriere ist zudem vorzugs- weise beständig gegenüber starken plötzlichen Temperatur- und Druckänderungen und weiteren Belastungen, die in unmittelbarer Nähe eines Brennraums zur Ver- brennung zündfähiger Fluide zu erwarten sind. Die Barriere ist präferiert aus einem für die vorgesehene Mikrowellenstrahlung transparenten keramischen Material ausgebildet.
Bei einer begünstigten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Mikro- wellenzündsystems erfolgt die Einkopplung von Mikrowellenstrahlung in den Hohl- raumresonator exzentrisch und/oder asymmetrisch. Dies bricht die Symmetrie des Hohlraumresonators und führt dazu, dass viele Resonanzmoden im Hohlraumre- sonator koppeln. Hierdurch wird auch die Problematik hinsichtlich von Mikrowellen- strahlung, die in eine Mikrowellenzuführung zum Hohlraumresonator, aus der Mik- rowellenstrahlung in den Hohlraumresonator eingekoppelt wird bzw. einkoppelbar ist, und gegebenenfalls auch noch weiter zu einer Mikrowellenquelle zurückläuft bzw. zurück reflektiert wird, erheblich vermindert.
Nach einer präferierten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Mikro- wellenzündsystems ist vorgesehen, dass ein weiterer Teil des Hohlraums und/oder ein weiterer Hohlraum des Hohlkörpers sich zwischen dem zweiten Ende des Hohl- körpers und dem Hohlraumresonator erstreckt, als Mikrowellenhohlleiter ausgebil- det ist, in den am zweiten Ende Mikrowellenstrahlung einkoppelbar ist. Bei dieser Ausgestaltungsvariante umfasst die Mikrowellenzündquelle also neben Vorkam- mer und Hohlraumresonator auch noch ein Stück Mikrowellenhohleiter zur Führung von Mikrowellenstrahlung von dem zweiten Ende des Hohlkörpers zum Hohlraum- resonator, genauer: zum zweiten Ende des Hohlraumresonators. In diesem Fall ist das zweite Ende des Hohlraumresonators und das zweite Ende des Hohlkörpers in axialer Richtung beabstandet voneinander. Dagegen können bei alternativen Aus- gestaltungen, insbesondere solchen ohne den zusätzlichen Hohlraum/Mikrowellen- hohlleiter, die zweiten Enden von Hohlraumresonator und Hohlkörper zusammen- fallen, gegebenenfalls zusätzlich auch noch mit dem zweiten Ende der Vorkammer.
Entsprechend einer favorisierten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemä- ßen Mikroweltenzündsystems weist die zumindest eine Bohrung einen Durchmes- ser zwischen 0,2 mm und 1 ,3 mm auf. Die Angabe bezieht sich auf eine Bohrung mit einem kreisförmigen Querschnit und entsprechender Querschnitsfläche. Bei Bohrungen mit abweichender (nicht kreisförmiger) Querschnittsform ist eine ent- sprechende äquivalente (identisch große) Kreisfläche heranzuziehen. Derartige be- sondere kleine Bohrungen sind zur Verbesserung des Zündverhaltens einer erfin- dungsgemäßen Mikroweltenzündvorrichtung in Kombination mit einem Verbren- nungsmotor, bei dem die Verwendung von hoch aufgeladenen zündfähigen Fluiden vorgesehen ist, vorteilhaft. Als Beispiel für hoch aufgeladene zündfähige Fluide bzw. Fluidgemische seien Wasserstoff-Luft-(Gas-)Gemische genannt. Bei hoch aufgeladenen Verbrennungsmotoren beträgt der Druck in der Brennkammer bis über 150 bar. Der hohe Druck ist mit einer hohen Verdichtung des zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines hoch aufgeladenen Verbrennungsmotors im Zuge eines Verdichtungsvorgangs in der Brennkammer mit einem nahtlosen Über- gang zur (anschließenden) Zündung des zündfähigen Gemisches verknüpft. Die hohe Verdichtung hat typischerweise eine deutlich höhere Durchschlagsfestigkeit des zündfähigen Fluids zur Folge. Bei der Verwendung von konventionellen Zünd- kerzen zur Zündung etwa hemmt dies die Ausbildung von Zündfunken zwischen den Elektroden der Zündkerzen. Hoch aufgeladene Verbrennungsmotoren mit aus dem Stand der Technik bekannten Zündvorrichtungen leiden daher unter Wir- kungsgradverlusten und ungenügender Laufruhe aufgrund von häufigen Zündaus- setzern. Durch den geringen Querschnitt der Bohrung wird bei einem Verdichtungsvorgang zündfähiges Fluid in einer der erfindungsgemäßen Mikrowellenzündvorrichtung zu- geordneten Brennkammer eines Verbrennungsmotors betreffend der Druckanstieg in der Vorkammer gegenüber der Brennkammer verzögert. Der maximale Druck in der Vorkammer bzw. in dem in der Vorkammer aufgenommenen Anteil an zündfä- higem Fluid im Vergleich zur zugeordneten Brennkammer unmittelbar vor der Zün- dung kann dadurch um deutlich mehr als eine Größenordnung geringer ausfallen. Dementsprechend ist auch die Durchschlagsfestigkeit des in der Vorkammer auf- genommen Anteils an zündfähigem Fluid gegenüber dem in der zugeordneten Brennkammer aufgenommenen (Haupt-)Teil des zündfähigen Fluids erheblich ge- ringer. Damit können mittels einer erfindungsgemäßen Mikrowellenzündvorrich- tung auch hoch aufgeladenen Verbrennungsmotoren sicher und zuverlässig ge- zündet werden.
Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor mit wenigstens einer Brennkammer weist ein Mikrowellenzündsystem entsprechend einer der vorstehend beschriebe- nen Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Mikrowellenzündsystems oder eine beliebige Kombination dieser Ausgestaltungen auf. Vorzugsweise ist dabei je- der Brennkammer eines derartigen Verbrennungsmotors wenigstens ein erfin- dungsgemäßes Mikrowellenzündsystem zugeordnet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors umfasst zumindest die folgenden Schritte: a. Vorsehen eines Hohlraums, wobei ein erster räumlicher Bereich des Hohlraums zumindest teilweise zur Aufnahme eines zündfähigen Fluids und ein weiterer, zweiter räumlicher Be- reich des Hohlraums derart ausgebildet ist, dass sich bei Einbringung von Mikrowellenstrahlung eine stehende elektromagnetische Welle in dem zwei- ten Bereich ausbildet, wobei der zweite Bereich zumindest teilweise mit dem ersten Bereich zusam- menfällt, wobei zumindest eine Verbindung zwischen dem ersten Bereich und der Brennkammer einen Austausch von Fluid zwischen dem ersten Bereich und der Brennkammer sowie den Übertrit von heißen flüchtigen Verbrennungs- produkten aus dem ersten Bereich in die Brennkammer ermöglicht, wobei in einer nahen Umgebung des Endes der Verbindung in den ersten Bereich innenseitig umlaufend um den zweiten Bereich zumindest zwei Mittel zu lokalen Feldüberhöhung an Stellen vorgesehen sind, an denen bei Vorlie- gen einer stehenden elektromagnetischen Welle im zweiten Bereich beson- ders hohe elektrische Feldstärken zu erwarten sind; b. Einbringen von zündfähigem Fluid aus der Brennkammer in den ersten Be- reich durch die Verbindung im Zuge eines Verdichtungsvorgangs die Brenn- kammer betreffend; c. Einbringen von Mikrowellenstrahlung in den zweiten Bereich, wobei an den zumindest zwei Mitteln zur lokalen Feldüberhöhung bedingt durch den Spit- zeneffekt sich wenigstens zwischen den Miteln zur lokalen Feldüberhöhung ein oder mehrere elektrische Überschläge durch das zündfähige Fluid ausbil- den, die das zündfähige Fluid im Inneren des ersten Bereits zünden und in Folge dessen sich durch die Verbindung ein Flammenstrahl in die Brennkam- mer ausbreitet und das in der Brennkammer befindliche zündfähige Fluid ent- zündet.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors ist eine sichere und zuverlässige Zündung insbesondere auch bei niedrigen Last- und Drehzahlbereichen möglich. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Zündung eines zündfähigen Flu- ids in dem ersten räumlichen Bereich des Hohlraums in unmittelbarer Nähe zu der zumindest eine Verbindung mit der zugeordneten Brennkammer eines Verbren- nungsmotors vorgesehen ist. Somit ist an der oder den Stellen bzw. in dem Bereich, in dem die Zündung von zündfähigem Fluid in dem ersten räumlichen Bereich er- folgt, zum Zeitpunkt einer Zündung jeweils ausreichend zündfähiges Fluid vorhan- den. Bei einer privilegierten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Verfah- rens zur Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbren- nungsmotors weist die zumindest eine Verbindung einen so hinreichend kleinen Querschnit auf, dass bei einem Verdichtungsvorgang die Brennkammer betreffend der Druckanstieg in dem ersten Bereich des Hohlraums gegenüber dem Druckan- stieg in der Brennkammer zeitverzögert erfolgt und der maximale Druck unmitelbar vor der Zündung eines Fluids in dem ersten Bereich nicht mehr als ein Zehntel, vorzugsweise nicht mehr als ein Zwanzigstel, des Drucks in der Brennkammer be- trägt. Der geringe Querschnitt der Verbindung hemmt also die Strömung von zünd- fähigem Fluid aus der Brennkammer in den ersten Bereich des Hohlraums im Zuge des Verdichtungsvorgangs die Brennkammer betreffend so weit, dass bis zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor der Zündung von dem in dem ersten Bereich befindlichen zündfähigem Fluid ausreichend zündfähiges Fluid für eine sichere Zündung aus der Brennkammer in den ersten Bereich gelangt ist, der Druck und in dem ersten Be- reich und damit in dem dort befindliche Fluid sowie dessen Verdichtung jedoch noch erheblich geringer als in der Brennkammer und dem dort befindlichen (Haupt- )Teil des zündfähigen Fluids ist.
Bei zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor der Zündung im Zuge eines Verdichtungs- vorgangs in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors hoch verdichteten und (dementsprechend) unter hohem Druck von über 150 bar stehenden zündfähigen Fluiden kommt es bei aus dem Stand der Technik bekannten Zündverfahren regel- mäßig zu Problemen hinsichtlich einer zuverlässigen respektive sicheren Zündung des zündfähigen Fluids. Dies begründet sich durch die bei hoher Verdichtung eben- falls erhöhte Durchschlagsfestigkeit eines zündfähigen Fluids, was etwa bei der Verwendung von konventionellen Zündkerzen zur Zündung eines hochverdichteten Fluids die Ausbildung von Zündfunken zwischen der Elektrode der Zündkerzen hemmt. Dies betrifft insbesondere Wasserstoff-Luft-(Gas-)Gemische als zündfä- hige Fluide bzw. Fluidgemische. Bei Verwendung aus dem Stand der Technik be- kannter Zündverfahren leiden hoch aufgeladene Verbrennungsmotoren unter Wir- kungsgradverlusten und ungenügender Laufruhe aufgrund von regelmäßigen Zündaussetzern. Durch eine bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zündung eines zündfähi- gen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors vorgesehene zeitli- che Verzögerung des Druckanstiegs in dem ersten Bereich des Hohlraums gegen- über der Brennkammer im Zuge eines Verdichtungsvorgangs die Brennkammer betreffend kann der Druck in dem ersten Bereich des Hohlraums zum Zeitpunkt der maximalen Verdichtung in der Brennkammer unmittelbar vor der Zündung deutlich geringer als der Druck in der Brennkammer ausfallen. So kann etwa bei einem Druck in der Brennkammer von 100 bar bei maximaler Verdichtung der Druck in dem ersten Bereich des Hohlraums auf weniger als 10 bar begrenzt werden. Der in dem ersten Bereich des Hohlraums befindliche Teil des zündfähigen Fluids weist bei deutlich geringerer Verdichtung und einem deutlich geringeren Druck gegen- über dem in der Brennkammer befindlichen (Haupt-)Teil des zündfähigen Fluids auch eine erheblich geringere Durchschlagsfestigkeit auf. Dadurch können mit ei- nem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors hoch verdichtete zündfähige Fluide wie Wasserstoff-Luft-Gemische noch zuverlässiger und sicherer gezündet werden.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombina- tionen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinati- onen oder in Alleinstellung verwendbar. Zur Ausführung der Erfindung müssen nicht alle Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 7 verwirklicht sein. Auch können einzelne Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 7 durch andere offenbarte Merkmale oder Merkmalskombinationen ersetzt werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltungsvariante ei- ner erfindungsgemäßen Mikrowellenzündvorrichtung in einer ersten Längsschnittansicht;
Fig. 2 die erfindungsgemäße Mikrowellenzündvorrichtung gemäß Figur 1 in ei- ner zweiten Längsschnittansicht;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltungsvariante ei- ner erfindungsgemäßen Mikrowellenzündvorrichtung in einer ersten Längsschnittansicht;
Fig. 4 die erfindungsgemäße Mikrowellenzündvorrichtung gemäß Figur 3 in ei- ner zweiten Längsschnitansicht;
Fig. 5 eine dritte Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Mikrowel- lenzündvorrichtung in einer Längsschnitansicht;
Fig. 6 eine Ansicht in das Innere in Richtung des ersten Endes (links) und eine zugehörige Längsschnittansicht (rechts) eines Segments des Hohlkör- pers einer erfindungsgemäßen Mikrowellenzündvorrichtung im Bereich des ersten Endes basierend auf der Ausgestaltungsvariante gemäß Fi- guren 1 und 2 mit einer Ausgestaltungsvariante die Mitel zur lokalen Feldüberhöhung betreffend;
Fig. 7 eine Ansicht entsprechend Figur 6 mit einer alternativen Ausgestaltung die Mitel zur lokalen Feldüberhöhung betreffend;
Fig. 8 eine Ansicht entsprechend den Figuren 6 und 7 mit einer weiteren alter- nativen Ausgestaltung die Mitel zur lokalen Feldüberhöhung betreffend;
Fig. 9 eine Ansicht entsprechend den Figuren 6 bis 8 mit einer zusätzlichen alternativen Ausgestaltung die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung betref- fend;
Fig. 10 eine Ansicht entsprechend den Figuren 6 bis 9 mit noch einer weiteren alternativen Ausgestaltung die Mitel zur lokalen Feldüberhöhung betref- fend; und Fig. 11 eine Ansicht entsprechend den Figur 6 bis 10 mit noch einer zusätzlichen alternativen Ausgestaltung die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung betref- fend.
In Figur 1 ist eine Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Mikrowel- tenzündvorrichtung 1 schematisch in einer ersten Längsschnittansicht dargestellt. Figur 2 zeigt die Mikrowellenzündvorrichtung 1 aus Figur 1 in einerweiteren Längs- schnitansicht, wobei die Schnittebene dieser Längsschnittansicht orthogonal zu der Schnitebene der Längsschnitansicht aus Figur 1 ist. Die Mikrowellenzündvor- richtung 1 umfasst als grundlegendes Element einen länglichen Hohlkörper 2, der sich zwischen einem ersten oder vorderen Ende 3 und einem zweiten oder hinteren Ende 4 entlang einer in den Figuren nicht explizit markierten Vorzugslängsachse erstreckt. Die alternative Bezeichnung des ersten Endes 3 des Hohlkörpers 2 als vorderes Ende und des zweiten Endes 4 als hinteres Ende erfolgt ohne Beschrän- kung der Allgemeinheit. Die äußere Grundgestalt, also des Mantels bzw. der äuße- ren Mantelfläche(n), des Hohlkörpers 2 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu der Vorzugslängsachse. Die äußere Grundgestalt ermöglicht den Einsatz der Mikrowellenzündvorrichtung 1 als unmittelbarer Ersatz für bekannte Zündvorrich- tungen sowohl ohne Vorkammer, etwa konventionelle Zündkerzen, als auch mit Vorkammer ohne größere Änderungen an bestehenden Auslegungen von Verbren- nungsmotoren. Der Hohlkörper 2 weist zwei verschiedene Hohlräume 5 und 6 auf, die sich jeweils durch unterschiedliche Bereiche des Hohlkörpers 2 entlang der Vor- zugslängsachse erstrecken und an einer Stelle entlang der Vorzugslängsachse aufeinandertreffen und direkt in Verbindung miteinander stehen. Daher könnte man die Hohlräume 5 und 6 auch als zwei Teilhohlräume eines einzelnen zusammen- hängenden Hohlraums des Hohlkörpers auffassen.
Der erste Hohlraum 5 des Hohlkörpers 2 ist von rotationssymmetrischer Grundge- stalt mit der Vorzugslängsachse des Hohlkörpers 2 als Symmetrieachse. Der erste Hohlraum 5 ist sowohl teilweise als Vorkammer 9 als auch teilweise als Hohlraum- resonator 8 ausgebildet, wobei Vorkammer 9 und Hohlraumresonator 8 zusätzlich auch noch teilweise zusammenfallen. Die Vorkammer 9 erstreckt sich dabei von dem ersten oder vorderen Ende 3 des Hohlkörpers 2, was damit zugleich das erste oder vordere Ende der Vorkammer 9 ist, bis zu einem Druckfenster 10. Das Druck- fenster 10 ist in den ersten Hohlraum 5 eingepasst und stellt eine räumliche Barriere zwischen der Vorkammer 9 und einem weiteren, in Richtung des zweiten Endes des Hohlkörpers 2 auf die Vorkammer 9 folgenden weiteren Teilbereichs des ersten Hohlraums 5, der Zwischenhohlraum 11 , und dem sich daran dann anschließenden zweiten Hohlraum 6 dar. Die Vorkammer 9 ist zur Aufnahme von zündfähigem Fluid in ihrem Inneren vorgesehen und ausgebildet. Im vorderen Bereich der Vorkammer 2 in der Umgebung des ersten Endes 3 von Vorkammer 9 bzw. Hohlkörper 2 sind in der Wandung der Vorkammer 9 bzw. des Hohlkörpers 2 etliche Bohrungen 12 ausgebildet, wobei in den Figuren 1 und 2 und ebenso in allen weiteren Figuren der Übersichtlichkeit halber nur einige der Bohrungen 12 explizit referenziert sind. Die Bohrungen 12 ermöglichen einen Übertritt respektive eine Einströmung von zünd- fähigem Fluid aus einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors, der das Mikro- wellenzündsystem 1 zugeordnet oder zuordenbar ist, in die Vorkammer 9. Zudem ermöglichen die Bohrungen 12 den Austrit heißer flüchtiger Verbrennungsprodukte aus der Vorkammer 9 in die zugeordnete Brennkammer hinein, nach dem in der Vorkammer aufgenommenes zündfähiges Fluid in der Vorkammer gezündet wurde. Der vordere Teil der Vorkammer 9, der bezüglich der gesamten Längserstreckung der Vorkammer 9 etwa einen Viertel davon einnimmt, ist gegenüber dem Rest der Vorkammer 9 sich zum ersten oder vorderen Ende 3 hin verjüngend ausgebildet. Dies dient im vergleichbare mit einer Düse strömungstechnischen Verbesserungen beim Übertrit heißer flüchtiger Verbrennungsprodukte aus der Vorkammer 9 durch die ebenfalls in den vorderen Bereich der Vorkammer 9 anordneten Bohrungen 12 in eine zugeordnete Brennkammer eines Verbrennungsmotors.
Anders als die Vorkammer 9 umfasst der Hohlraumresonator 8 von dem ersten Hohlraum 5 des Hohlkörpers 2 auch noch das Druckfenster 10 und den Zwischen- hohlraum 11 . Der Hohlraumresonator 8 dient der Ausbildung einer stehenden elekt- romagnetischen Welte in seinem Inneren. Dazu ist in den Hohlraumresonator 8 Mikrowellenstrahlung einkoppelbar, wobei zunächst eine Einkopplung von Mikro- wellenstrahlung in den Hohlkörper 2 an dessen zweiten oder hinteren Ende 4 in den als Mikrowellenhohlleiter 7 ausgebildeten zweiten Hohlraum 6 des Hohlkörpers 2 erfolgt Da das Druckfenster 10 zwar eine räumliche Barriere bzw. Wand sondere etwa für in der Vorkammer aufgenommenes zündfähiges Fluid und ebenso für heiße flüchtige Verbrennungsprodukte darstellt und somit das zweite oder hin- tere Ende der Vorkammer 9 bildet, aber zugleich miten im Hohlraumresonator 8 angeordnet ist, darf das Druckfenster 10 die vorgesehene Mikrowellenstrahlung höchstens geringfügig behindern. Das Druckfester 10 ist daher aus einem mikro- wellentransparenten keramischen Material ausgebildet, das zusätzlich auch noch den Bedingungen in unmittelbarer Nähe einer Verbrennung eines zündfähigen Flu- ids wie etwa starke, plötzliche Druck- und Temperaturschwankungen sowie hohe Spitzendrücke und Spitzentemperaturen dauerhaft standhält.
Das Mikrowellenzündsystem 1 in der Ausgestaltungsvariante entsprechend den Fi- guren 1 und 2 ist beispielhaft für Mikrowellenstrahlung aus dem Ka-Band (Fre- quenzbereich von 26,5 GHz bis 40 GHz) ausgelegt. Der Mikrowellenhohlleiter 7 ist dabei ein WR34-Rechteckhohlleiter. Der Mikrowellenhohlleiter 7 erstreckt sich von dem zweiten oder hinteren Ende 4 des Hohlkörpers 2, was zugleich das zweite oder hintere Ende des Mikrowellenhohlleiters 7 ist, bis zu dem ersten Hohlraum 5, wo der Mikrowellenhohlleiter 7 mit seinem ersten oder vorderen Ende an dessen zweiten oder hinteren Ende in den Hohlraumresonator 8 und zugleich in den ersten Hohlraum 5 des Hohlkörpers 5 mündet. Die Mündung des Mikrowellenhohlleiters 7 in den Hohlraumresonator 8 ist etwas exzentrisch zu der Vorzugslängsachse des Hohlkörpers 2, die wiederum zugleich die Vorzugslängsachse oder (Rotations- )Symmetrieachse des Hohlraumresonators 8 ist. Am zweiten oder hinteren Ende 4 fällt das Zentrum des Rechteckquerschnits des Mikrowellenhohlleiters 7 mit der Vorzugslängsachse zusammen, am ersten oder vorderen Ende an der Mündung in den Hohlraumresonator 8 weist das Zentrum des Rechteckquerschnitts des Mikro- wellenhohlleiters 7 einen Abstand zu der Vorzugslängsachse auf. In der Darstel- lung in Figur 1 mit Einblick in die schmale Seite des Mikrowellenhohlleiters 7 liegt das erste Ende des Mikrowellenhohlleiters 7 an der Mündung in den Hohlraumre- sonator 8 etwas tiefer als am zweiten oder hinteren Ende 4. Wird dem Mikrowellen- hohlleiter 7 eine eigene Vorzugslängsachse zuordnet, schließen die Vorzugslängs- achse des Hohlkörpers 2 und die Vorzugslängsachse des Mikrowellenhohlleiters 7 einen kleinen spitzen Winkel ein und schneiden sich in einem Punkt am zweiten oder hinteren Ende des Mikrowellenhohlleiters 7 bzw. des Hohlkörpers 2. Die ex- zentrische und damit von der Symmetrie des Hohlraumresonators 8 abweichende Einmündung des Mikrowellenhohlleiters 7 in den Hohlraumresonator 8 ermöglicht die Kopplung vieler Resonanzmoden von Mikrowellenstrahlung in dem Hohlraum- resonator 8 und vermindert zugleich das Problem aus dem Hohlraumresonator 8 zurück in den Mikrowellenhohlleiter 7 reflektierter Mikrowellenstrahlung deutlich.
Nahe an dem ersten oder vorderen Ende des Hohlraumresonators 8 und damit in einer Umgebung des ersten oder vorderen Endes 3 von Vorkammer 9 bzw. Hohl- körper 2 sind innenseitig umlaufend um die äußere Wandung des Hohlraumresona- tors 8, die zugleich die äußere Wandung der Vorkammer 9 sowie des Hohlraums 5 ist, Mitel zur lokalen Felderhöhung 13 ausgebildet. Die Mitel zur lokalen Feldüber- höhung 13 ragen in das Innere, also den inneren Hohlraum, des Hohlraumresona- tors 8 hinein. Die Mitel zur lokalen Feldüberhöhung 13 beeinflussen die Verteilung des elektrischen Feldes in dem Hohlraumresonator 8, wenn in den Hohlraumre- sonator 8 Mikrowellenstrahlung eingebracht bzw. eingekoppelt wird und sich in dem Hohlraumresonator 8 eine stehende elektromagnetische Welle ausbildet. Die Mitel zur lokalen Feldüberhöhung 13 bewirken gemäß dem Spitzeneffekt besondere hohe elektrische Feldstärken an einem jeweiligen freien, in den Hohlraumresonator 8 hineinragenden Ende eines jeden Mitels zur lokalen Feldüberhöhung 13. Dazu ist es wesentlich, dass die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung 13 dort angeordnet oder ausgebildet werden bzw. sind, wo in dem Hohlraumresonator 8 in Abhängig- keit von den Charakteristika (insbesondere Wellenlänge) der vorgesehenen Mikro- wellenstrahlung bei der durch Einkopplung von Mikrowellenstrahlung sich in dem Hohlraumresonator 8 ausbildenden stehenden elektromagnetische Welle beson- ders hohe elektrische Feldstärken vorliegen. Dabei ist zu beachten, dass die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung die Feldverteilung in dem Hohlraumresonator 8 gegen- über einem identischen Hohlraumresonator 8 ohne solche Mittel zur lokalen Feld- überhöhung 13 gegebenenfalls verändern. Dies gilt ebenso für die Ausgestaltung des Druckfensters 10 bezüglich des für das Druckfenster 10 verwendeten Material und der Wechselwirkung der vorgesehenen Mikrowellenstrahlung mit dem Material, der Dicke des Druckfensters 10, also seiner Ausdehnung entlang der Vorzugs- längsachse und seine genaue Anordnung in dem ersten Hohlraum 5/dem Hohl- raumresonator 8 entlang der Vorzugslängsachse des Hohlkörpers 2. Der schon er- wähnte Zwischenraum 11 zwischen der Einmündung des Mikrowellenhohlleiters 7 in den Hohlraumresonator 8 und dem Druckfenster 10, der in der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Mikrowel- lenzündsystems 1 Teil des Hohlraumresonators 8 ist, dient insbesondere der Im- pedanzanpassung Mikrowellenstrahlung beim Übergang vom Mikrowellenhohleiter 7 in den Hohlraumresonator 8 betreffend.
In den Figuren 3 und 4 ist eine zweite Ausgestaltungsvariante eines erfindungsge- mäßen Mikrowellenzündsystems 1 in einer jeweiligen schematischen Längsschnit- darstellung gezeigt, wobei die Schnitebene der Längsschnittansicht in Figur 4 or- thogonal zu der Schnittebene der Längsschnitansicht in Figur 3 ist. Gegenüber der in den Figuren 1 und 2 gezeigten ersten Ausgestaltungsvariante ist die Exzentrizi- tät/Asymmetrie des Mikrowellenhohlleiters 7 bei der Einmündung in den ersten Hohlraum 5 bzw. den Hohlraumresonator 8 noch etwas stärker ausgeprägt. Der Mikrowellenhohleiter 7 weist auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel einen rechteckigen Querschnitt auf, welcher sich allerdings vom zweiten Ende 4 zum ers- ten Ende, also zur Einmündung in den Hohlraumresonator 8 hin, kontinuierlich (li- near) verjüngt. Dies ist insbesondere aus Figur 4 mit Einblick in die breite Seite des Mikrowellenhohlleiters 7 ersichtlich. Die Ausgestaltung der Verjüngung des ersten Hohlraums 5 bzw. der Vorkammer 9 zum ersten oder vorderen Ende 3 hin ist bei der zweiten Ausgestaltungsvariante etwas anders ausgestaltet. Bei der ersten Aus- gestaltungsvariante gemäß den Figuren 1 und 2 ist eine (im Längsschnitt) S-för- mige Verjüngung des ersten Hohlraums 5 bzw. der Vorkammer 9 zum erste oder vorderen Ende 3 hin vorgesehen, bei dem zweiten Ausführungsbeispiel in den Fi- guren 3 und 4 ist die Verjüngung hingegen konisch ausgeprägt. Ein weiterer Unter- schied zu der ersten Ausgestaltungsvariante ist zudem, dass die Mitel zu lokalen Feldüberhöhung bei der zweiten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemä- ßen Mikrowellenzündsystems 1 nicht integral mit der äußeren Wandung des ersten Hohlraums 5/des Hohlraumresonators 8/der Vorkammer 9 ausgebildet sind. Die Mitel zu lokalen Feldüberhöhung 13 sind bei der zweiten Ausgestaltungsvariante gemäß Figuren 3 und 4 durch Ausnehmungen respektive Bohrungen (in den Figu- ren nicht explizit referenziert) in der äußeren Wandung von der Außenseite her in die Wandung eingesetzt und erstrecken sich in radialer Richtung ein Stück weit in den Hohlraumresonator 8 und damit zugleich in die Vorkammer 9 hinein. Die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung 13 sind dabei zylindrisch ausgebildet und weisen in- sofern keine ausgeprägte Spitzenform auf.
In Figur 5 ist eine Längsschnitansicht einer driten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Mikrowellenzündsystems 1 dargestellt. Die dritte Ausgestal- tungsvariante weist einen simplen rechteckförmigen Mikrowellenhohlleiter 7 zur Führung von Mikrowellenstrahlung von dem zweiten oder hinteren Ende des Mik- rowellenhohlleiters 7 bzw. des Hohlkörpers 2 zur Einmündung des Mikrowellen- hohlleiters 7 an seinem ersten Ende in das zweite Ende des ersten Hohlraums 5 auf. Der Mikrowellenhohlleiter 7 mündet dabei nicht exzentrisch/asymmetrisch in den ersten Hohlraum 5 noch ändert sich zwischen den beiden Enden der Quer- schnitt des Mikrowellenhohlleiters 7. Bei der in Figur 5 gezeigten driten Ausgestal- tungsvariante eines erfindungsgemäßen Mikrowellenzündsystems 1 schließt die Vorkammer 9 den Hohlraumresonator 8 vollständig ein. Das zweite Ende des Hohl- raumresonators 9 bildet dabei eine exzentrische respektive asymmetrische Loch- blende 14, d. h., eine in den ersten Hohlraum 5 eingesetzte (leitfähige/metallische) Trennwand mit einem exzentrisch bzw. asymmetrisch zu der Vorzugslängsachse des Hohlkörpers 2 und zugleich der Rotationssymmetrieachse des Hohlraumre- sonators 8 angeordneten Ausnehmung, die einen Eintritt von Mikrowellenstrahlung in den Hohlraumresonator 8 ermöglicht. Die Lochblende 14 erfüllt die gleiche Funk- tion wie eine exzentrisch oder asymmetrisch angeordnete Mündung des Mikrowel- lenhohlleiters 7. Bei der dritten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Mikrowellenzündsystems 1 entsprechend Figur 5 mündet des Mikrowellenhohlleiter 7 mit seinem ersten Ende nicht direkt in den Hohlraumresonator wie bei den beiden Ausgestaltungsvarianten entsprechend der Figuren 1 und 2 bzw. 3 und 4, sondern in den ersten Hohlraum 5 des Hohlkörpers 2. Der Hohlraumresonator 8 endet, wie erwähnt, bereits an der Lochblende 14 als zweites Ende und damit noch innerhalb der Vorkammer 9, deren zweites Ende wie auch bei den anderen beiden Ausge- staltungsvarianten von der dem ersten Ende 3 von Hohlkörper 2/erstem Hohlraum 5/Vorkammer 9 zugewandten Grenzfläche der Druckscheibe 10 gebildet wird. Zwi- schen der Einmündung des Mikrowellenhohlleiters 7 in den ersten Hohlraum 5 und der Druckscheibe 10 dient wiederum der Zwischenhohlraum 11 der Impedanzan- passung Mikrowellen beim Übergang aus dem Mikrowellenhohlleiter 7 in den ers- ten Hohlraum 5 betreffend.
In Figur 6 ist in der linken der beiden Darstellungen eine Ansicht entlang der Vor- zugslängsachse eines Hohlkörpers 2 eines erfindungsgemäßen Mikrowellenzünd- systems 1 in das Innere des Hohlkörpers 2 im Bereich seines ersten oder vorderen Endes 3 und damit in das Innere des ersten Hohlkörpers 5/des Hohlraumresonators 8/der Vorkammer 9 gezeigt. In der rechten der beiden Darstellungen ist eine Längs- schnittansicht eines endseitigen Bereiches respektive Abschnitts des Hohlkörpers 2 an seinem ersten oder vorderen Ende 3 gezeigt. Die Grundform des Hohlkörpers 2 entspricht an seinem ersten oder vorderen Ende 3 derjenigen der in den Figuren 1 und 2 dargestellten ersten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Mikrowellenzündsystems 1. Der Fokus der Darstellung in Figur 6 liegt auf der Aus- gestaltung der Mittel zur lokalen Feldüberhöhung 13, weshalb insbesondere in der Längsschnitansicht lediglich ein vorderer Endabschnitt des Hohlkörpers 2 gezeigt ist. In dem Ausführungsbeispiel entsprechend der Figur 6 sind die Mitel zur lokalen Feldüberhöhung 13 als rechteckige Stege mit Überhang ausgeführt. Dabei sind sechs identische derartig ausgebildete Mitel zur lokalen Feldüberhöhung 13 innen- seitig um die äußere Wandung von ersten Hohlraum 5/Hohlraumresonator 8/Vor- kammer 9 umlaufend äquidistant beabstandet angeordnet.
Die weiteren Figuren 7 bis 11 basieren auf der Darstellung in Figur 6 und zeigen basierend alternative Ausführungen von Mitteln zur lokalen Feldüberhöhung 13. Die Mitel zur lokalen Feldüberhöhung sind jeweils alle identisch ausgebildet und innenseitig um die äußere Wandung von ersten Hohlraum 5/Hohlraumresonator 8/Vorkammer 9 umlaufend äquidistant beabstandet angeordnet. In der Ausführungsvariante gemäß Figur 7 sind sechs als runde Stege mit Über- hang ausgebildete Mitel zur lokalen Feldüberhöhung 13 vorgesehen.
In der Ausführungsvariante gemäß Figur 8 sind sechs als rechteckige schmale Stege mit Überhang ausgebildete Mitel zur lokalen Feldüberhöhung 13 vorgese- hen.
In der Ausführungsvariante gemäß Figur 9 sind sechs als rechteckige Stege aus- gebildete Mittel zur lokalen Feldüberhöhung 13 vorgesehen, wobei die Stege an dem vom ersten oder vorderen Ende 3 von ersten Hohlraum 5/Hohlraumresonator 8/Vorkammer 9 wegweisenden axialen Ende spitz zulaufen.
In der Ausführungsvariante gemäß Figur 10 sind zwölf als schmale rechteckige Stege mit Überhang ausgebildete Mitel zur lokalen Feldüberhöhung 13 vorgese- hen.
In der Ausführungsvariante gemäß Figur 11 sind sechs rechteckige schmale Stege mit Überhang ausgebildete Mittel zur lokalen Feldüberhöhung 13 und zusätzlich eine zentrale Kuppel 15 vorgesehen, die ebenfalls und in Kombination mit den Mit- teln zur lokale Feldüberhöhung 13 die Feldverteilung im Hohlraumresonator 8 zur Erzeugung von Überschlägen (Lichtbögen) zwischen den Mitteln zur lokalen Feld- überhöhung 13, den Miteln zur lokalen Feldüberhöhung 13 und der Kuppel 15 und/oder gegebenenfalls zusätzlich zwischen den Mitteln zur lokalen Feldüberhö- hung 13, der Kuppel 15 und/oder der äußeren Wandung des Hohlraumresonators 8 beeinflusst, sofern in den Hohlraumresonator 8 Mikrowellenstrahlung eingekop- pelt wird. Insofern ist auch die Kuppel 15 als Mittel zur lokalen Feldüberhöhung 13 anzusehen, wobei der Kuppel 15 aufgrund ihrer abweichenden Struktur verglichen mit allen weiteren bis hierhin in den Figuren exemplarisch und ohne Beschränkung der Allgemeinheit gezeigten Mitteln zur lokalen Feldüberhöhung 13 eine eigene Be- zeichnung und eine eigene Referenznummer zugewiesen wurde. Wie bereits in einem vorstehenden Abschnit erwähnt, ermöglicht die äußere Grundgestalt den Einsatz der in der in den Figuren exemplarisch dargestellten Aus- führungen erfindungsgemäßer Mikrowellenzündvorrichtungen 1 bei Verbrennungs- motoren ohne größere Änderungen an bekannten bzw. bestehenden Auslegungen von Verbrennungsmotoren. Die grundsätzliche Ausbildung der in den Figuren ge- zeigten beispielhaften Ausführungen von Mikrowellenzündkerzen 1 lässt sich dabei auf beliebige Größen und/oder Leistungsklassen von Verbrennungsmotoren adap- tieren.
Im vorstehenden Ausführungsbeispiel wurde eine Mikroweltenstrahlung aus dem Ka-Band (Frequenzbereich von 26,5 GHz bis 40 GHz) benutzt. Genauso kann mit entsprechender Anpassung eine andere geeignete Mikrowellenstrahlung aus ei- nem anderen Band, beispielsweise X-Band (Frequenzbereich von 7,0 GHz bis 11 ,2 GHz), verwendet werden.
Bezugszeichenliste
1 Mikrowellenzündvorrichtung
2 Hohlkörper
3 Erstes oder vorderes Ende Hohlkörper 4 Zweites oder hinteres Ende Hohlkörper
5 Erster Hohlraum
6 Zweiter Hohlraum
7 Mikrowellenhohlleiter
8 Hohlraumresonator 9 Vorkammer
10 Druckfenster
11 Zwischenhohlraum
12 Bohrung
13 Mittel zur lokalen Feldüberhöhung 14 Lochblende
15 Kuppel

Claims

28
Patentansprüche Mikroweltenzündvorrichtung (1 ) zur Zündung eines zündfähigen Fluids in ei- ner Brennkammer eines Verbrennungsmotors, umfassend wenigstens einen Hohlkörper (2) mit einer Vorzugslängsachse und zwei entlang der Vorzugs- längsachse beabstandet gegenüberliegende Enden (3, 4), wobei der Hohlkörper (2) zumindest einen Hohlraum (5) umfasst, wobei der Hohlraum (5) zumindest teilweise als eine Vorkammer (9) zur Auf- nahme eines zündfähigen Fluids in einem Inneren der Vorkammer (9) aus- gebildet ist, wobei die Vorkammer (9) sich unmittelbar an das erste Ende (3) des Hohl- körpers anschließt und eine die Vorkammer (9)/den Hohlraum (5) be- randende äußere Wandung des Hohlkörpers (2) in einer Umgebung des ers- ten Endes wenigstens eine sich vollständig von einer Innenseite zu einer Außenseite durch die Wandung erstreckende Bohrung (12) aufweist, die ei- nen Austausch von Fluid zwischen der Vorkammer (9) und einem Außen- raum ermöglicht und zusätzlich zum Austrit von heißen flüchtigen Verbren- nungsprodukten aus der Vorkammer (9) in einen Außenraum ausgebildet ist, wobei der Hohlraum (5) zumindest teilweise als Hohlraumresonator (8) für Mikrowellenstrahlung ausgebildet ist, in den vom zweiten Ende (4) des Hohl- körpers (2) her von extern Mikrowellenstrahlung einkoppelbar ist und der Hohlraumresonator (8) wenigstens teilweise mit der Vorkammer (9) zusam- menfällt, und wobei in einer Umgebung des ersten Endes (3) innenseitig umlaufend um eine äußere Wandung des Hohlraumresonators (8)/des Hohlraums (5) wenigstens zwei Mitel zu lokalen Feldüberhöhung (13) angeordnet oder ausgebildet sind.
2. Mikrowellenzündvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die Vorkammer (9) vom Rest des Hohlraums (5) und/oder von allen weiteren Hohlräumen (6) des Hohlkörpers (2) durch eine zumindest teilweise mikrowellentransparente Barriere (10) räumlich abgetrennt ist.
3. Mikrowellenzündvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Einkopplung von Mikrowellenstrahlung in den Hohl- raumresonator (8) exzentrisch und/oder asymmetrisch erfolgt.
4. Mikrowellenzündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Teil des Hohlraums und/oder ein wei- terer Hohlraum (6) des Hohlkörpers (2) sich zwischen dem zweiten Ende (4) des Hohlkörpers (2) und dem Hohlraumresonator (8) erstreckt, als Mik- rowellenhohlleiter (7) ausgebildet ist, in den am zweiten Ende (4) Mikrowel- lenstrahlung einkoppelbar ist.
5. Mikrowellenzündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Bohrung (12) einen Durchmes- ser zwischen 0,2 mm und 1 ,3 mm aufweist.
6. Verbrennungsmotor mit wenigstens einer Brennkammer, gekennzeichnet durch ein Mikrowellenzündsystem (1) nach zumindest einem der Ansprü- che 1 bis 5.
7. Verfahren zur Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer ei- nes Verbrennungsmotors, umfassend zumindest die folgenden Schritte: a. Vorsehen eines Hohlraums (5), wobei ein erster räumlicher Bereich des Hohlraums (9) zumindest teil- weise zur Aufnahme eines zündfähigen Fluids und ein weiterer, zweiter räumlicher Bereich des Hohlraums (8) derart ausgebildet ist, dass sich bei Einbringung von Mikrowellenstrahlung eine stehende elektromag- netische Welle in dem zweiten Bereich (8) ausbildet, wobei der zweite Bereich (8) zumindest teilweise mit dem ersten Be- reich (9) zusammenfällt, wobei zumindest eine Verbindung (12) zwischen dem ersten Bereich (8) und der Brennkammer einen Austausch von Fluid zwischen dem ersten Bereich (9) und der Brennkammer sowie den Übertrit von hei- ßen flüchtigen Verbrennungsprodukten aus dem ersten Bereich (9) in die Brennkammer ermöglicht, wobei in einer nahen Umgebung des Endes der Verbindung (12) in den ersten Bereich (9) innenseitig umlaufend um den zweiten Bereich (8) zumindest zwei Mitel zu lokalen Feldüberhöhung (13) an Stellen vor- gesehen sind, an denen bei Vorliegen einer stehenden elektromagne- tischen Welle im zweiten Bereich (8) besonders hohe elektrische Feld- stärken zu erwarten sind; b. Einbringen von zündfähigem Fluid aus der Brennkammer in den ersten Bereich (9) durch die Verbindung (12) im Zuge eines Verdichtungsvor- gangs die Brennkammer betreffend; c. Einbringen von Mikrowellenstrahlung in den zweiten Bereich (8), wobei an den zumindest zwei Miteln zur lokalen Feldüberhöhung (13) be- dingt durch den Spitzeneffekt sich wenigstens zwischen den Mitteln zur lokalen Feldüberhöhung (13) ein oder mehrere elektrische Über- schläge durch das zündfähige Fluid ausbilden, die das zündfähige Fluid im Inneren des ersten Bereits (9) zünden und in Folge dessen sich durch die Verbindung (12) ein Flammenstrahl in die Brennkammer ausbreitet und das in der Brennkammer befindliche zündfähige Fluid entzündet. erfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Verbindung (12) einen hinreichend kleinen Querschnit aufweist, so dass bei einem Verdichtungsvorgang die Brennkammer betreffend der Druckanstieg in dem ersten Bereich (9) des Hohlraums (5) gegenüber dem Druckanstieg in der Brennkammer zeitverzögert erfolgt und der maximale
Druck unmittelbar vor der Zündung eines Fluids in dem ersten Bereich (9) nicht mehr als ein Zehntel, vorzugsweise nicht mehr als ein Zwanzigstel, des Drucks in der Brennkammer beträgt.
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