EP4409130B1 - Mikrowellen-vorkammerzündung für einen verbrennungsmotor - Google Patents

Mikrowellen-vorkammerzündung für einen verbrennungsmotor

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EP4409130B1
EP4409130B1 EP22777963.4A EP22777963A EP4409130B1 EP 4409130 B1 EP4409130 B1 EP 4409130B1 EP 22777963 A EP22777963 A EP 22777963A EP 4409130 B1 EP4409130 B1 EP 4409130B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cavity
microwave
combustion chamber
region
hollow body
Prior art date
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Active
Application number
EP22777963.4A
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English (en)
French (fr)
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EP4409130A1 (de
Inventor
Raphael Kramer
Heiko Lenz
Jörg Müller
Volker Gallatz
Armin Gallatz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
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 to an internal combustion engine with at least one combustion chamber.
  • Ignition devices and ignition methods for igniting an ignitable fluid or fluid mixture in the combustion chamber of an internal combustion engine which include a prechamber, are known in various embodiments from the prior art.
  • a prechamber is, in principle, a small combustion chamber adjacent to, but separated from, the actual combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the volume enclosed by a prechamber, the interior of the prechamber or the inner cavity of the prechamber, is specifically designed and configured to hold an ignitable fluid and is typically significantly smaller than the volume of the actual combustion chamber.
  • passive ignition devices a small portion of ignitable fluid already present in a combustion chamber is forced through at least one bore into the pre-chamber during a compression process within the combustion chamber. This force is driven by the increased pressure in the combustion chamber.
  • Alternative active ignition device designs and corresponding ignition methods involve the (additional) introduction of ignitable fluid directly into the pre-chamber or its presence within the pre-chamber.
  • the at least one bore also serves to allow hot, volatile combustion products to escape from the interior of the pre-chamber into the combustion chamber after the ignition of the ignitable fluid within the pre-chamber.
  • an ignitable fluid When an ignitable fluid is ignited in the combustion chamber of an internal combustion engine comprising an ignition system with a pre-chamber, the ignitable fluid is first ignited in the inner cavity of the pre-chamber.
  • This ignition is typically achieved with a conventional spark plug, as is also used for the direct ignition of an ignitable fluid in the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the ignition and subsequent combustion of a fluid in the inner cavity of the pre-chamber leads to the propagation of jets of hot, volatile combustion products through at least one bore from the inner cavity of the pre-chamber into the combustion chamber. This then ignites any ignitable fluid present in the combustion chamber.
  • the ignition of the ignitable fluid in the combustion chamber occurs, particularly when several torch jets propagate (if several bores are present in the pre-chamber wall for this purpose) from the inner cavity of the pre-chamber into the combustion chamber in various spatial areas of the interior of the combustion chamber, in contrast to ignition by means of a spark from a conventional spark plug or the like, not only at the location of the spark, but spatially distributed at many points in the combustion chamber virtually simultaneously.
  • Igniting an ignitable fluid in the combustion chamber of an internal combustion engine using a pre-chamber can significantly improve the ignition behavior and combustion process (including ignition and flame front propagation) of lean air-fuel 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 using a local spark.
  • the decreasing flame speed results in a longer burn time and consequently in incomplete combustion, meaning that the combustion may be incomplete or prematurely terminate.
  • the ignition and combustion behavior of such lean ignitable fluids can be significantly improved, thereby improving the efficiency of an internal combustion engine with such an ignition system when burning lean fluids and reducing pollutant emissions, especially CO emissions.
  • Prior art ignition devices and methods for igniting a fluid or fluid mixture in the combustion chamber of an internal combustion engine which incorporate passive and/or active pre-chamber ignition devices, include conventional spark plugs for igniting the ignitable fluid inside the pre-chamber. Ignition is typically initiated by a spark in the region of the pre-chamber floor.
  • the pre-chamber floor is defined as the end of the interior or inner cavity of a pre-chamber that is opposite the other end, in the vicinity of which at least one bore is provided for the exchange of fluid with, and for the passage of, hot, volatile combustion products from the inner cavity of the pre-chamber into an associated combustion chamber.
  • Ignition thus occurs at a point inside the pre-chamber that is farther away from the at least one bore compared to almost all other points inside.
  • This type of ignition frequently fails, particularly at low loads or idle speeds, because combustion products (residual gas or the like) accumulate in the pre-chamber floor, hindering reliable ignition.
  • One possible solution would be to flush the pre-chamber to remove combustion products; however, such a solution would significantly increase the complexity of both a pre-chamber ignition device and a corresponding pre-chamber ignition process for an internal combustion engine.
  • Another disadvantage of ignition devices and ignition processes known from the prior art that incorporate pre-chambers is the short service life of the spark plugs within the pre-chambers. The spark plugs are insufficiently cooled and are therefore regularly exposed to high temperatures, even for extended periods. These high temperatures reduce their lifespan and contribute to the short service life of the known ignition devices.
  • the invention is based on the objective of proposing an ignition device and an ignition method for an internal combustion engine which exhibits significantly increased reliability and durability compared to solutions known from the prior art and is suitable for all possible operating conditions of an internal combustion engine. Enables safe and reliable ignition of the ignitable fluid intended for the operation of the internal combustion engine.
  • the object of the invention is achieved by 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. Further advantageous embodiments of the invention can be found in the respective dependent claims.
  • 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, wherein the hollow body comprises at least one cavity, wherein the cavity is at least partially configured as a prechamber for receiving an ignitable fluid in an interior of the prechamber, wherein the prechamber adjoins the first end of the hollow body and an outer wall of the hollow body bounding the prechamber/cavity has, in a vicinity of the first end, at least one bore extending completely from an inner to an outer surface through the wall, which enables an exchange of fluid between the prechamber and an outer space and is additionally configured for the exit of hot volatile combustion products from the prechamber into an outer space, wherein the cavity is at least partially configured as a cavity resonator for microwave radiation, into which microwave radiation can be coupled externally from the second end of the hollow body and the cavity resonator coincides at least partially with the prechamber, and wherein, in a vicinity of the first At least two means
  • the hollow body can be formed in one or more parts, or segmented – provided that the individual parts or segments from which the hollow body is formed all connect successively 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, i.e., for individual The symmetry can apply to sections of the hollow body along the preferred longitudinal axis, or to the entire hollow body, although this is by no means mandatory. Furthermore, symmetry with respect to the preferred longitudinal axis can also be limited to individual aspects of the hollow body's design.
  • the external design (such as the outer circumferential shell or the like) of the hollow body may be approximately symmetrical in a segment, while the cavity or partial cavity located within this segment may deviate from the symmetry of the external design in that segment, or vice versa.
  • the external design of a segment of the hollow body may be cylindrical or rotationally symmetrical, while the internal cavity or partial cavity in that segment may be elongated cuboid.
  • the preferred longitudinal axis of the cavity or partial cavity (if one can be defined) need not 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 approximately a distance from it, or it can form an angle with it.
  • hollow body makes it immediately clear that said hollow body has at least one internal cavity.
  • the hollow body may also have several cavities. If, in the case of multiple cavities within the hollow body, some or all of the cavities are interconnected, possibly indirectly via at least one other cavity, it may be advantageous to consider this as a single, continuous cavity with various partial cavities or cavity segments (if the relevant cavities connect successively along the preferred longitudinal axis of the hollow body).
  • the hollow body has a shell or the like as an outer boundary separating the hollow body from an external space, other (hollow) spaces, other bodies, objects, devices, apparatus, etc. If the hollow body is formed from several parts and/or segments, then the shell is at least correspondingly divided and/or segmented.
  • the hollow body is preferably made of a material that is at least heat- and pressure-resistant and has good electrical conductivity, preferably metallic.
  • different parts and/or segments of the hollow body can be made of different materials.
  • Inner walls, inner side Surfaces or the like as the immediate boundary of the cavity, cavities and/or partial cavities of the hollow body can be at least partially provided with coatings that (further) improve the electrical conductivity.
  • the interior of the pre-chamber is preferably designed such that fluid from the combustion chamber can flow into the pre-chamber from the combustion chamber through at least one bore during a compression process, in a flow-optimized manner.
  • the pre-chamber at the first end is particularly preferably also designed such that hot, volatile combustion products are further accelerated as they pass out of the pre-chamber through the at least one bore, in order to achieve the widest possible propagation of the hot, volatile combustion products in the form of torch jets, flame jets, or the like.
  • bores are provided in the wall of the hollow body bordering the pre-chamber at the first end, these are preferably arranged and aligned in such a way that hot volatile combustion products in the form of torch jets can spread through each of the bores into different spatial areas of a combustion chamber, in order to be able to ignite ignitable fluid located in the combustion chamber quasi-simultaneously at as many points as possible inside the combustion chambers by means of the torch jets.
  • the antechamber is at least partially designed as a cavity resonator for microwave radiation.
  • the essential characteristic of the antechamber is that it is designed and intended to contain an ignitable fluid, which is ignited or can be ignited within the antechamber and combusts at least partially within it.
  • the essential characteristic of the cavity resonator is that microwave radiation can be coupled into it, and that when microwave radiation is coupled into the cavity resonator, a standing electromagnetic wave forms within it.
  • the essential characteristics of the antechamber and the cavity resonator, as well as their resulting configurations, can be combined at least partially (in sections, segments) or even completely.
  • the antechamber can, for example, completely enclose or contain the cavity resonator, and thus extend, for instance, particularly along its length.
  • the preferred longitudinal axis of the hollow body extends axially on both sides beyond the cavity resonator.
  • the cavity resonator may also coincide with the antechamber, so that the antechamber and cavity resonator are not clearly distinguishable from one another; that is, the interior (i.e., the respective internal cavity) of the antechamber and cavity resonator essentially occupy the same volume element within the hollow body.
  • the cavity resonator may extend beyond the antechamber, particularly along the preferred longitudinal axis of the hollow body, towards the second end of the hollow body.
  • a boundary, wall, edge, or similar feature of the antechamber towards the second end of the hollow body must, on the one hand, constitute an impermeable barrier, especially for ignitable fluid contained or capable of being contained in the antechamber, but on the other hand, it must not block the microwave radiation, as otherwise the cavity resonator cannot fulfill its intended function.
  • At least two means for local field enhancement are arranged or formed on the inside, circumferentially around an outer wall of the cavity resonator.
  • three or more means for local field enhancement are provided.
  • the means for local field enhancement influence the distribution of the electric field in the cavity resonator when microwave radiation is coupled into the cavity resonator and a standing electromagnetic wave forms within it.
  • the means for local field enhancement preferably extend a certain distance from the outer circumferential wall of the cavity resonator into the interior/inner cavity of the cavity resonator, approximately substantially in the direction of the center of the cross-section of the cavity resonator at the respective position where the respective means for local field enhancement is arranged or formed relative to the preferred longitudinal direction of the hollow body, and/or approximately predominantly in a radial direction.
  • the means for local field enhancement produce particularly high electric field strengths, especially in the vicinity of each free end of each means for local field enhancement.
  • the means for local field enhancement are located or configured where, within the cavity resonator, the standing field strengths develop, depending on the characteristics (especially wavelength) of the intended microwave radiation, when microwave radiation is coupled into the cavity resonator. Particularly high electric field strengths are present in electromagnetic waves.
  • the means for local field amplification may alter the field distribution in the cavity resonator compared to an identical cavity resonator without such means.
  • the means for local field amplification can have the basic form of a more or less pronounced point projecting from the inner wall of the cavity resonator into its interior. However, such a design is by no means necessary or even mandatory.
  • the local field enhancement devices Due to the placement of the local field enhancement devices near the first end of the cavity, these devices are located in a region or segment of the cavity resonator that coincides with the antechamber (or vice versa). If ignitable fluid is present in the antechamber and microwave radiation is coupled into the cavity resonator, resulting in the formation of a standing electromagnetic wave within the resonator, at least one or more flashovers or arcs will form between the local field enhancement devices due to the ignitable fluid. These flashovers or arcs ignite the ignitable fluid in the antechamber.
  • the means for local field enhancement in the vicinity of (near) the first end of the hollow body and thus also the first end of the pre-chamber, where at least one bore is also provided, it is ensured that sufficient (fresh) ignitable fluid is always present in the area of the means for local field enhancement. This ensures that ignition of the fluid in the pre-chamber, as well as the immediately subsequent ignition of ignitable fluid in a combustion chamber of an internal combustion engine associated with the microwave ignition system according to the invention, can occur safely and reliably. This applies in particular also to longer continuous operating time of the microwave ignition device or of the motor with such a microwave ignition device.
  • the first end of the cavity resonator can coincide with the first end of the prechamber and thus also with the first end of the hollow body.
  • the first end of the cavity resonator can also be located within the prechamber at a certain axial distance from the first end of the prechamber/hollow body as a whole. This should not be interpreted as meaning that a wall or similar structure extends transversely through the prechamber at this point, which, while serving as a reflector for microwave radiation, would also divide the prechamber into two separate chambers, which would be rather impractical.
  • the prechamber can be designed, for both fluid dynamic reasons (optimizing the flow of ignitable fluid from an associated combustion chamber into the prechamber) and thermodynamic reasons (optimizing the propagation of hot, volatile combustion products from the prechamber into the combustion chambers), approximately like a nozzle with a cross-section that tapers towards the first end.
  • this cross-section may become too small for the microwave radiation to propagate further towards the first end of the antechamber (see cutoff frequency), thus representing a kind of virtual (reflective) wall and a corresponding virtual first end of the cavity resonator.
  • the prechamber is spatially separated from the rest of the cavity and/or from all other (partial) cavities of the hollow body by a barrier that is at least partially microwave-transparent.
  • the microwave-transparent barrier closes off the prechamber towards the second end of the hollow body and, in particular, prevents ignitable fluid and hot, volatile combustion products from flowing out of the prechamber towards the second end of the hollow body and penetrating into other parts, areas of the cavity segments that are not part of the prechamber, and/or into other (partial) cavities of the hollow body.
  • the microwave-transparent barrier is also preferably resistant to strong, 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 resonator and results in many resonance modes coupling within the cavity resonator. This also significantly reduces the problems associated with microwave radiation being coupled into a microwave feed to the cavity resonator, from the microwave radiation entering the cavity resonator, and potentially even traveling back to a microwave source or being reflected back.
  • a further portion of the cavity and/or a further cavity of the hollow body extending between the second end of the hollow body and the cavity resonator is designed as a microwave waveguide into which microwave radiation can be coupled at the second end.
  • the microwave ignition source thus comprises, in addition to the prechamber and cavity resonator, a section of microwave waveguide for guiding 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 each other in the axial direction.
  • the second ends of the cavity resonator and the hollow body can coincide, optionally also with the second end of the prechamber.
  • the at least one bore has a diameter between 0.2 mm and 1.3 mm.
  • This specification refers to a bore with a circular shape. Cross-section and corresponding cross-sectional area. For bores with a different (non-circular) cross-sectional shape, a corresponding equivalent (identically sized) circular area must be used.
  • Such special small bores are advantageous for improving the ignition behavior of a microwave ignition device according to the invention in combination with an internal combustion engine in which the use of highly charged ignitable fluids is intended.
  • Hydrogen-air (gas) mixtures are given as an example of highly charged ignitable fluids or fluid mixtures. In highly charged internal combustion engines, the pressure in the combustion chamber can exceed 150 bar.
  • the high pressure is associated with a high compression of the ignitable fluid in the combustion chamber of a highly charged internal combustion engine during a compression process in the combustion chamber with a seamless transition to the (subsequent) ignition of the ignitable mixture.
  • the high compression typically results in a significantly higher dielectric strength of the ignitable fluid. When using conventional spark plugs for ignition, this inhibits the formation of sparks between the spark plug electrodes.
  • Highly turbocharged combustion engines with ignition systems known from the prior art therefore suffer from efficiency losses and insufficient smooth running due to frequent misfires.
  • the pressure rise in the pre-chamber relative to the combustion chamber of an internal combustion engine associated with the microwave ignition device according to the invention is delayed during a compression process.
  • the maximum pressure in the pre-chamber, or in the portion of ignitable fluid contained in the pre-chamber can therefore be significantly lower than in the combustion chamber immediately before ignition, compared to the combustion chamber. Accordingly, the dielectric strength of the portion of ignitable fluid contained in the pre-chamber is also considerably lower than that of the (main) portion of ignitable fluid contained in the combustion chamber.
  • An internal combustion engine according to the invention comprising at least one combustion chamber, has a microwave ignition system according to one of the embodiments described above. a microwave ignition system according to the invention or any combination thereof.
  • each combustion chamber of such an internal combustion engine is assigned at least one microwave ignition system according to the invention.
  • a safe and reliable ignition is achieved, in particular This is also possible at low load and speed ranges.
  • This is achieved in particular by providing for the ignition of an ignitable fluid in the first spatial region of the cavity in the immediate vicinity of at least one connection to the associated combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the at least one connection has a sufficiently small cross-section that, during a compression process, the pressure increase in the first region of the cavity is delayed compared to the pressure increase in the combustion chamber, 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 during the compression process with respect to the combustion chamber to such an extent that, up to a point immediately before ignition, sufficient ignitable fluid for reliable ignition has reached the first area from the combustion chamber, but the pressure in the first area, and thus in the fluid located there, as well as its compression, is still considerably lower than in the combustion chamber and the (main) part of the ignitable fluid located there.
  • the pressure in the first region 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 portion of the ignitable fluid located in the first region of the cavity, with its significantly lower compression and pressure compared to the (main) portion of the ignitable fluid in the combustion chamber, also exhibits considerably lower dielectric strength. This allows highly compressed ignitable fluids such as hydrogen-air mixtures to be ignited even more reliably and safely using a method according to the invention for igniting an ignitable fluid in a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • FIG 1 A embodiment of a microwave ignition device 1 according to the invention is shown schematically in a first longitudinal section view.
  • Figure 2 The microwave ignition device 1 shows Figure 1 in a further longitudinal section view, wherein the section plane of this longitudinal section view is orthogonal to the section plane of the longitudinal section view from Figure 1
  • the microwave ignition device 1 comprises, as its basic element, an elongated hollow body 2 extending between a first or front end 3 and a second or rear end 4 along a preferred longitudinal axis (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 is without limitation of generality.
  • the basic external shape, i.e., the outer shell or outer surface(s), of the hollow body 2 is essentially rotationally symmetrical about the preferred longitudinal axis.
  • This basic external shape allows the microwave ignition device 1 to be used as a direct replacement for known ignition devices, both without a pre-chamber, such as conventional spark plugs, and with a pre-chamber, without major modifications to existing internal combustion engine designs.
  • the hollow body 2 has two distinct cavities, 5 and 6, which extend through different regions of the hollow body 2 along the preferred longitudinal axis and meet at a point along the preferred longitudinal axis, thus being directly connected to each other. Therefore, cavities 5 and 6 could also be considered as two sub-cavities of a single, continuous cavity within 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 its axis of symmetry.
  • the first cavity 5 is partially configured 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 thus also the first or front end of the antechamber 9, to a pressure window 10.
  • the pressure window 10 is fitted into the first cavity 5 and forms a spatial barrier between the antechamber 9 and a further sub-section following the antechamber 9 in the direction of the second end of the hollow body 2.
  • the pre-chamber 9 is designed and configured to hold ignitable fluid inside.
  • the pre-chamber 9 In the front region of the pre-chamber 2, in the vicinity of the first end 3 of the pre-chamber 9 or hollow body 2, several bores 12 are formed in the wall of the pre-chamber 9 or hollow body 2, wherein in the Figures 1 and 2 Similarly, for the sake of clarity, only some of the bores 12 are explicitly referenced in all subsequent figures.
  • the bores 12 allow the passage or inflow of ignitable fluid from a combustion chamber of an internal combustion engine, to which the microwave ignition system 1 is assigned or assignable, into the prechamber 9.
  • the bores 12 allow hot, volatile combustion products to exit the prechamber 9 into the associated combustion chamber after the ignitable fluid in the prechamber has been ignited.
  • the cavity resonator 8 in addition to the first cavity 5 of the hollow body 2, also includes the pressure window 10 and the intermediate cavity 11.
  • the cavity resonator 8 serves to generate a standing electromagnetic wave within it.
  • microwave radiation can be coupled into the cavity resonator 8, with microwave radiation initially being coupled into the second cavity 6 of the hollow body 2, which is designed as a microwave waveguide 7, at its second or rear end 4. Since the pressure window 10, while representing a spatial barrier or wall, particularly for ignitable fluid contained in the prechamber and also for hot volatile combustion products, and thus forming the second or rear end of the prechamber 9, is simultaneously located in the middle of the cavity resonator 8, the pressure window 10 must only impede the intended microwave radiation to a minimal extent.
  • the pressure-resistant 10 is therefore made of a microwave-transparent ceramic material that also withstands the conditions in the immediate vicinity. permanently withstands the proximity of a combustion of an ignitable fluid, such as strong, sudden pressure and temperature fluctuations, as well as high peak pressures and peak temperatures.
  • the microwave ignition system 1 in the configuration variant according to the Figures 1 and 2 This is designed as an 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 terminates at its first or front end at the second or rear end of the cavity resonator 8 and simultaneously in the first cavity 5 of the hollow body 5.
  • the termination of the microwave waveguide 7 in the cavity resonator 8 is slightly eccentric to the preferred longitudinal axis of the hollow body 2, which in turn is also the preferred longitudinal axis or (rotational) axis of symmetry of the cavity resonator 8.
  • 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, at its opening into the cavity resonator 8 lies slightly lower than at the second or rear end 4.
  • the preferred longitudinal axis of the hollow body 2 and the preferred longitudinal axis of the microwave waveguide 7 form a small acute angle and intersect at a point at the second or rear end of the microwave waveguide 7 and the hollow body 2, respectively.
  • the eccentric opening of the microwave waveguide 7 into the cavity resonator 8, which deviates from the symmetry of the cavity resonator 8, enables the coupling of many resonance modes of microwave radiation within the cavity resonator 8 and simultaneously significantly reduces the problem of microwave radiation being reflected back from the cavity resonator 8 into the microwave waveguide 7.
  • Local field enhancement means 13 are formed on the inside, circumferentially around the outer wall of the cavity resonator 8, which is simultaneously the outer wall of the antechamber 9 and the cavity 5. These local field enhancement means 13 project into the interior, i.e., the inner cavity, of the cavity resonator 8.
  • the local field enhancement means 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 within it.
  • the means for local field enhancement 13, according to the peak effect, produce particularly high electric field strengths at each free end of each means for local field enhancement 13 projecting into the cavity resonator 8. For this to occur, it is essential that the means for local field enhancement 13 are arranged or formed where, depending on the characteristics (especially wavelength) of the intended microwave radiation, particularly high electric field strengths are present in the cavity resonator 8 during the standing electromagnetic wave that forms in the cavity resonator 8 when microwave radiation is coupled in. It should be noted that the means for local field enhancement may alter the field distribution in the cavity resonator 8 compared to an identical cavity resonator 8 without such means for local field enhancement 13.
  • part 1 of the cavity resonator 8 serves in particular to match the impedance of microwave radiation at the transition from the microwave conductor 7 to the cavity resonator 8.
  • FIGs 3 and 4 A second embodiment of a microwave ignition system 1 according to the invention is shown in a respective schematic longitudinal section view, wherein the section plane of the longitudinal section view is in Figure 4 orthogonal to the cutting plane of the longitudinal section view in Figure 3 is.
  • the eccentricity/asymmetry of the microwave waveguide 7 is even more pronounced at the point where it enters the first cavity 5 or the cavity resonator 8.
  • the microwave waveguide 7 also has a rectangular cross-section, which, however, tapers continuously (linearly) from the second end 4 to the first end, i.e., towards the point where it enters the cavity resonator 8.
  • the means for local field enhancement 13 are, in the second embodiment according to Figures 3 and 4
  • the means for local field enhancement 13 are inserted into the outer wall from the outside through recesses or bores (not explicitly referenced in the figures) and extend radially a short distance into the cavity resonator 8 and thus also into the antechamber 9.
  • the means for local field enhancement 13 are cylindrical and therefore do not have a pronounced pointed shape.
  • FIG 1 shows a longitudinal sectional view of a third embodiment of a microwave ignition system 1 according to the invention.
  • the third embodiment features 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.
  • 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.
  • the pre-chamber 9 completely encloses the cavity resonator 8.
  • the second end of the cavity resonator 9 forms an eccentric or asymmetric aperture 14, i.e., a (conductive/metallic) partition inserted into the first cavity 5 with a recess arranged eccentrically or asymmetrically to the preferred longitudinal axis of the hollow body 2 and simultaneously to the rotational symmetry axis of the cavity resonator 8, which allows microwave radiation to enter the cavity resonator 8.
  • the aperture 14 fulfills the same function as an eccentrically or asymmetrically arranged opening of the microwave waveguide 7.
  • FIG. 5 The first end of the microwave waveguide 7 does not lead directly into the cavity resonator as in the two design variants according to the Figures 1 and 2 or 3 and 4, but into the first cavity 5 of the hollow body 2.
  • the cavity resonator 8 already terminates at the aperture 14 as its second end and thus still within the antechamber 9, the second end of which, as in the other two embodiments, is formed by the interface of the pressure disk 10 facing the first end 3 of hollow body 2/first cavity 5/antechamber 9.
  • the intermediate cavity 11 again serves for impedance matching with respect to microwaves at the transition from the microwave waveguide 7 into the first cavity 5.
  • FIG. 6 The left of the two illustrations 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 region of its first or front end 3, and thus into the interior of the first hollow body 5/the cavity resonator 8/the prechamber 9.
  • the right of the two illustrations shows a longitudinal sectional view of an end region or section of the hollow body 2 at its first or front end 3.
  • the basic shape of the hollow body 2 at its first or front end 3 corresponds to that of the [unclear - possibly "the” or ... Figures 1 and 2
  • the first embodiment of a microwave ignition system according to the invention is shown. 1.
  • the focus of the illustration is Figure 6
  • the focus is on the design of the means for local field elevation 13, which is why, particularly in the longitudinal section view, only a front end section of the hollow body 2 is shown.
  • the means for local field elevation 13 are designed as rectangular ribs with an overhang.
  • Six identical means of local field elevation 13 of this design are connected on the inside around the The outer wall of the first cavity 5/cavity resonator 8/prechamber 9 is arranged equidistantly around its perimeter.
  • FIG. 7 to 11 based on the representation in Figure 6 and show based alternative designs of means for local field enhancement 13.
  • the means for local field enhancement are all identically designed and arranged equidistantly spaced around the outer wall of first cavity 5/cavity resonator 8/prechamber 9 on the inside.
  • struts are designed as means for local field enhancement 13, and additionally a central dome 15 is provided.
  • This dome in combination with the means for local field enhancement 13, also influences the field distribution in the cavity resonator 8 to generate arcs between the means for local field enhancement 13, between the means for local field enhancement 13 and the dome 15, and/or optionally additionally between the means for local field enhancement 13, the dome 15, and/or the outer wall of the cavity resonator 8, provided that microwave radiation is coupled into the cavity resonator 8.
  • the dome 15 is also to be considered a means for local field enhancement 13, although the dome 15, due to its different structure, is compared to the other means for local field enhancement 13. All other means for local field elevation shown so far in the figures as examples and without limiting generality were assigned a separate designation and a separate reference number 13.
  • the basic external shape allows the microwave ignition devices 1 according to the invention, as exemplified in the figures, to be used in internal combustion engines without major modifications to known or existing internal combustion engine designs.
  • the fundamental design of the exemplary embodiments of microwave spark plugs 1 shown in the figures can be adapted to any size and/or power class of internal combustion engine.
  • microwave radiation from the Ka band (frequency range from 26.5 GHz to 40 GHz) was used.
  • another suitable microwave radiation from a different band for example the X band (frequency range from 7.0 GHz to 11.2 GHz), can be used.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenzündvorrichtung 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.
  • Zündvorrichtungen und Zündverfahren zur Zündung eines zündfähigen Fluids oder Fluidgemischs in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors, die eine Vorkammer vorsehen, sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich in diversen Ausgestaltungsvarianten bekannt. Eine Vorkammer ist dabei im Prinzip eine an eine eigentliche Brennkammer eines Verbrennungsmotors angrenzende, von der eigentlichen Brennkammer abgetrennte, kleine Brennkammer. Das von einer Vorkammer berandete Volumen, das Innere der Vorkammer bzw. der innere Hohlraum der Vorkammer, 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 besteht etwa in Form wenigstens einer Bohrung oder eines Kanals durch die äußere Wandung der Vorkammer in das Innere der Vorkammer eine Verbindung zum Austausch von Fluid mit der Brennkammer, insbesondere so, dass zündfähiges Fluid aus der Brennkammer in die Vorkammer gelangen kann. Bei passiven Zündvorrichtungen 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 Vorkammer. Bei alternativen aktiven Ausführungen von Zündvorrichtungen und entsprechenden 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 Austritt von heißen flüchtigen Verbrennungsprodukten 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 Verbrennungsmotors umfassend ein Zündsystem mit einer Vorkammer wird zunächst ein zündfähiges Fluid in dem inneren Hohlraum der Vorkammer gezündet. Die Zündung erfolgt dabei typischerweise mit einer konventionellen Zündkerze, wie sie auch bei der direkten Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors verwendet werden. Die Zündung und anschließende Verbrennung eines Fluids in dem inneren Hohlraum der Vorkammer führt zu der Ausbreitung von Fackelstrahlen, Flammenstrahlen, Jets' oder dergleichen heißer flüchtiger Verbrennungsprodukte durch die wenigstens eine Bohrung aus dem inneren Hohlraum der Vorkammer in die Brennkammer hinein. Dadurch wird dann in der Brennkammer 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 Vorkammerwandung zu diesem Zweck) aus dem inneren Hohlraum der Vorkammer in die Brennkammer in verschiedene räumliche Bereiche des Inneren der Brennkammer im Gegensatz zur Zündung mittels Zündfunke einer konventionellen Zündkerze oder 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 Verbrennungsmotors mittels einer Vorkammer kann insbesondere das Zündverhalten und den Verbrennungsablauf (u. a. Entflammung, Ausbreitung der Flammfront) von mageren Luft-Treibstoff-Gemischen als entsprechender zündfähiger Fluide bzw. Fluidgemische deutlich verbessern. Der Luftüberschuss magerer Luft-Treibstoff-Gemische führt zu ungünstigen Zündbedingungen und damit zu unzureichender Entflammung des Luft-Treibstoff-Gemisches bei herkömmlicher Zündung mit einem lokalen Zündfunken. Aus der abnehmenden Flammengeschwindigkeit resultiert eine längere Brenndauer und infolgedessen unzureichender Durchbrand, d. h., die Verbrennung 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 magerer zündfähiger Fluide deutlich verbessert werden, wodurch der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Zündsystem unter Verbrennung magerer 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 Verbrennungsmotors, die passive und oder aktive Vorkammerzündvorrichtungen vorsehen, umfassen konventionelle Zündkerzen zum Zünden des zündfähigen Fluids im Inneren der Vorkammer. Dabei wird die Zündung typischerweise durch einen Zündfunken im Bereich des Vorkammerbodens hervorgerufen. Dabei bezeichnet der Vorkammerboden dasjenige Ende des Inneren bzw. inneren Hohlraums einer Vorkammer, welches dem anderen Ende, in dessen Umgebung die wenigstens eine Bohrung zum Austausch von Fluid mit und zum Übertritt von heißen flüchtigen Verbrennungsprodukten aus dem inneren Hohlraum der Vorkammer in eine zugeordnete 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. Besonders 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 Verbrennungsprodukte aus der Vorkammer schaffen, allerdings würde eine solche Lösung die Komplexität einer Vorkammerzündvorrichtung wie auch eines entsprechenden Vorkammerzündverfahrens 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 ausgesetzt. Die hohen Temperaturen reduzieren die Lebensdauer und sorgen für eine kurze Standzeit der bekannten Zündvorrichtungen.
  • US 2020/0182217 A1 , US 7,644,698 B2 sowie US 3,934,566 A zeigen konventionelle Zündvorrichtungen mit speziellen Strukturen zur Funken- bzw. Plasmabogenbildung. Mikrowellenzündvorrichtungen werden jedoch nicht thematisiert.
  • Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zündvorrichtung und ein Zündverfahren für einen Verbrennungsmotor vorzuschlagen, welche(s) eine gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen eine deutlich erhöhte Zuverlässigkeit und Standfestigkeit aufweist und für alle möglichen Betriebszustände eines Verbrennungsmotors eine sichere und zuverlässige Zündung des zum Betrieb des Verbrennungsmotors vorgesehenen zündfähigen Fluids ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß von einer Mikrowellenzündvorrichtung zur Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 6 und einem Verfahren zur Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweiligen rückbezogenen Ansprüchen zu entnehmen.
  • Demnach umfasst eine erfindungsgemäße Mikrowellenzündvorrichtung wenigstens einen Hohlkörper mit einer Vorzugslängsachse und zwei entlang der Vorzugslängsachse beabstandet gegenüberliegende Enden, wobei der Hohlkörper zumindest 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 anschließt 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 Bohrung aufweist, die einen Austausch von Fluid zwischen der Vorkammer und einem Außenraum ermöglicht und zusätzlich zum Austritt von heißen flüchtigen Verbrennungsprodukten aus der Vorkammer in einen Außenraum ausgebildet ist, wobei der Hohlraum zumindest teilweise als Hohlraumresonator für Mikrowellenstrahlung ausgebildet ist, in den vom zweiten Ende des Hohlkörpers her von extern Mikrowellenstrahlung einkoppelbar ist und der Hohlraumresonator wenigstens teilweise 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 einzelnen Teile bzw. Segmente, aus denen der Hohlkörper ausgebildet wird, alle entlang der Vorzugslängsachse sukzessive aneinander anschließen - ausgebildet werden. Die Vorzugslängsachse, entlang derer sich der Hohlkörper zwischen seinen beiden längsseitigen Enden entlang erstreckt, kann eine Symmetrieachse für einzelne Segmente, d. h., für einzelne Teilabschnitte des Hohlkörpers entlang der Vorzugslängsachse, oder auch für den ganzen Hohlkörper sein, was jedoch keinesfalls zwingend ist. Eine Symmetrie bezüglich der Vorzugslängsachse kann sich zudem auch lediglich auf einzelne Aspekte der Ausbildung des Hohlkörpers beschränken, so kann die äußere Gestaltung (etwa der äußere umlaufende Mantel oder dergleichen) des Hohlkörpers in einem Segment etwa symmetrisch ausgebildet sein, der in diesem Segment im Inneren des Hohlkörpers angeordnete Hohlraum oder Teilhohlraum kann von der Symmetrie der äußeren Gestaltung in diesem Segment jedoch abweichen oder umgekehrt. Beispielsweise kann die äußere Gestaltung eines Segments des Hohlkörpers zylinderförmig bzw. rotationssymmetrisch sein, der innere Hohlraum oder Teilhohlraum in diesem Segment jedoch länglich-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 unmittelbar 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, gegebenenfalls mittelbar über wenigstens einen weiteren der Hohlräume, miteinander in Verbindung stehen, kann es zweckmäßig sein, dies als einen zusammenhängenden Hohlraum mit verschieden Teilhohlräumen oder Hohlraumsegmenten (wenn die betreffenden Hohlräume entlang der Vorzugslängsachse des Hohlkörpers sukzessive anschließen) anzusehen. Neben einem oder mehreren Hohlräumen, Teilhohlräumen oder Hohlraumsegmenten weist der Hohlkörper einen Mantel oder dergleichen als eine äußere Berandung des Hohlkörpers gegenüber einem Außenraum, anderen (Hohl-)Räumen, andern Körpern, Gegenständen, Vorrichtungen, Apparaturen usw. auf. Wenn der Hohlkörper aus mehreren Teilen und/oder Segmenten gebildet wird, dann ist der Mantel wenigstens entsprechend geteilt und/oder segmentiert.
  • Der Hohlkörper ist vorzugsweise aus einem wenigstens hitze- und druckbeständigen sowie gut elektrisch leitfähigem, günstigerweise metallischen, Werkstoff ausgebildet. Bei einer mehrteiligen Ausführung des Hohlkörpers können verschiedene Teile und/oder Segmente des Hohlkörpers aus unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet sein. Innere Wände, innenseitige Mantelflächen oder dergleichen als unmittelbare 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 Vorkammer des Hohlkörpers ist dieser, also das Innere der Vorkammer, vorzugsweise derart ausgebildet, dass aus einer Brennkammer durch die zumindest eine Bohrung bei einem Kompressionsvorgang die Brennkammer betreffend möglichst strömungsgünstig Fluid aus der Brennkammer in die Vorkammer gelangen kann. Zugleich ist die Vorkammer an dem ersten Ende besonders bevorzugt auch derart ausgebildet, heiße flüchtige Verbrennungsprodukte beim Übergang aus der Vorkammer durch die zumindest eine Bohrung heraus noch weiter beschleunigt werden), um eine möglichst weite Ausbreitung der heißen flüchtigen Verbrennungsprodukte 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 angeordnet 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 Brennkammer 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 Mikrowellenstrahlung ausgebildet. Das wesentliche Kennzeichen der Vorkammer ist, dass diese zur Aufnahme von zündfähigem Fluid, welches in der Vorkammer auch gezündet 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 Mikrowellenstrahlung einkoppelbar ist und bei Einkopplung von Mikrowellenstrahlung in dem Hohlraumresonator sich eine stehende elektromagnetische Welle in dem Hohlraumresonator ausbildet. Die wesentlichen Kennzeichen von Vorkammer und Hohlraumresonator sowie die daraus resultierende Ausbildung von Vorkammer und Hohlraumresonator sind zumindest teilweise (bereichsweise, segmentweise) oder auch vollständig miteinander kombinierbar. Die Vorkammer kann den Hohlraumresonator also etwa vollständig einschließen bzw. beinhalten und sich damit beispielsweise insbesondere entlang der Vorzugslängsachse des Hohlkörpers in axialer Richtung beidseitig über den Hohlraumresonator hinaus erstrecken. Der Hohlraumresonator kann etwa auch mit der Vorkammer zusammenfallen, sodass Vorkammer 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 Hohlkörper 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 darstellen, 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 Mittel zur lokalen Feldüberhöhung angeordnet oder ausgebildet. Vorzugsweise sind drei oder mehr Mittel zur lokalen Feldüberhöhung vorgesehen. Die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung beeinflussen die Verteilung des elektrischen Feldes in dem Hohlraumresonator, wenn in den Hohlraumresonator Mikrowellenstrahlung eingekoppelt wird und sich in dem Hohlraumresonator eine stehende elektromagnetische Welle ausbildet. Die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung stehen dazu vorzugsweise von der äußeren umlaufenden Wandung des Hohlraumresonators ein Stück weit in das Innere/den inneren Hohlraum des Hohlraumresonator hinein, etwa im Wesentlichen in Richtung eines Zentrums des Querschnitts des Hohlraumresonators an der jeweiligen 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 Feldüberhöhung 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 Feldüberhöhung dort angeordnet oder ausgebildet werden bzw. sind, wo in dem Hohlraumresonator in Abhängigkeit von den Charakteristika (insbesondere Wellenlänge) der vorgesehenen Mikrowellenstrahlung bei der durch Einkopplung von Mikrowellenstrahlung sich in dem Hohlraumresonator ausbildenden stehenden elektromagnetische 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 Ausgestaltung ist jedoch keinesfalls notwendig oder gar zwingend.
  • Aufgrund des Vorsehens der Mittel zur lokalen Feldüberhöhung in einer Umgebung des ersten Endes des Hohlkörpers sind die Mittel 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 eingekoppelt, was wiederum zu einer Ausbildung einer stehenden elektromagnetischen Welle im Hohlraumresonator führt, bilden sich wenigstens zwischen den Mitteln zur lokalen Feldüberhöhung durch das zündfähige Fluid ein oder mehrere Überschläge bzw. Lichtbögen aus, die das zündfähige Fluid in der Vorkammer zünden. Wie genau sich die Überschläge bzw. Lichtbögen ausbilden, hängt dabei von vielen Faktoren ab, unter anderem der Detailausbildung der Mittel zur lokalen Feldüberhöhung, ihrer Anzahl und ihrer Anordnung/Verteilung umlaufend um den Hohlraumresonator herum ab. Eine asymmetrische bzw. ungleichmäßige Anordnung/Verteilung 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 werden, etwa in dem diese unterschiedlich weit in den Hohlraumresonator hineinragen. Aufgrund der Anordnung der Mittel 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 sichergestellt, dass sich stets genügend (frisches) zündfähiges Fluid im Bereich der Mittel zur lokalen Feldüberhöhung befindet und eine Zündung des Fluids in der Vorkammern ebenso wie eine sich unmittelbar 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 Mikrowellenzündvorrichtung.
  • Ein erstes Ende des Hohlraumresonators kann mit dem ersten Ende der Vorkammer 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 erstreckt, 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 Vorkammer 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 flüchtiger Verbrennungsprodukte aus der Vorkammer heraus in die Brennkammern hinein) etwa wie eine Düse mit sich zum ersten Ende hin verjüngendem Querschnitt 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 entsprechendes virtuelles erstes Ende des Hohlraumresonators dar.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Mikrowellenzündsystems ist die Vorkammer vom Rest des Hohlraums und/oder von allen weiteren (Teil-)Hohlräumen des Hohlkörpers durch eine zumindest teilweise mikrowellentransparente Barriere räumlich abgetrennt. Die mikrowellentransparente Barriere schließt die Vorkammer in Richtung des zweiten Endes des Hohlkörpers 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 Hohlraums, 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 vorgesehene Mikrowellenstrahlung nicht weiter behindert, also transparent für die vorgesehene Mikrowellenstrahlung ist, da ansonsten der Hohlraumresonator seine Funktion nicht erfüllen kann. Die mikrowellentransparente Barriere ist zudem vorzugsweise beständig gegenüber starken plötzlichen Temperatur- und Druckänderungen und weiteren Belastungen, die in unmittelbarer Nähe eines Brennraums zur Verbrennung 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 Mikrowellenzündsystems erfolgt die Einkopplung von Mikrowellenstrahlung in den Hohlraumresonator exzentrisch und/oder asymmetrisch. Dies bricht die Symmetrie des Hohlraumresonators und führt dazu, dass viele Resonanzmoden im Hohlraumresonator koppeln. Hierdurch wird auch die Problematik hinsichtlich von Mikrowellenstrahlung, die in eine Mikrowellenzuführung zum Hohlraumresonator, aus der Mikrowellenstrahlung 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 Mikrowellenzündsystems ist vorgesehen, dass ein weiterer Teil des Hohlraums und/oder ein weiterer Hohlraum des Hohlkörpers sich zwischen dem zweiten Ende des Hohlkörpers und dem Hohlraumresonator erstreckt, als Mikrowellenhohlleiter ausgebildet ist, in den am zweiten Ende Mikrowellenstrahlung einkoppelbar ist. Bei dieser Ausgestaltungsvariante umfasst die Mikrowellenzündquelle also neben Vorkammer und Hohlraumresonator auch noch ein Stück Mikrowellenhohleiter zur Führung von Mikrowellenstrahlung von dem zweiten Ende des Hohlkörpers zum Hohlraumresonator, 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 Ausgestaltungen, insbesondere solchen ohne den zusätzlichen Hohlraum/Mikrowellenhohlleiter, die zweiten Enden von Hohlraumresonator und Hohlkörper zusammenfallen, gegebenenfalls zusätzlich auch noch mit dem zweiten Ende der Vorkammer.
  • Entsprechend einer favorisierten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Mikrowellenzündsystems weist die zumindest eine Bohrung einen Durchmesser zwischen 0,2 mm und 1,3 mm auf. Die Angabe bezieht sich auf eine Bohrung mit einem kreisförmigen Querschnitt und entsprechender Querschnittsfläche. Bei Bohrungen mit abweichender (nicht kreisförmiger) Querschnittsform ist eine entsprechende äquivalente (identisch große) Kreisfläche heranzuziehen. Derartige besondere kleine Bohrungen sind zur Verbesserung des Zündverhaltens einer erfindungsgemäßen Mikrowellenzündvorrichtung in Kombination mit einem Verbrennungsmotor, 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 Übergang 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 Zündkerzen 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 Wirkungsgradverlusten und ungenügender Laufruhe aufgrund von häufigen Zündaussetzern.
  • Durch den geringen Querschnitt der Bohrung wird bei einem Verdichtungsvorgang zündfähiges Fluid in einer der erfindungsgemäßen Mikrowellenzündvorrichtung zugeordneten 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 zündfähigem Fluid im Vergleich zur zugeordneten Brennkammer unmittelbar vor der Zündung kann dadurch um deutlich mehr als eine Größenordnung geringer ausfallen. Dementsprechend ist auch die Durchschlagsfestigkeit des in der Vorkammer aufgenommen Anteils an zündfähigem Fluid gegenüber dem in der zugeordneten Brennkammer aufgenommenen (Haupt-)Teil des zündfähigen Fluids erheblich geringer. Damit können mittels einer erfindungsgemäßen Mikrowellenzündvorrichtung auch hoch aufgeladenen Verbrennungsmotoren sicher und zuverlässig gezündet werden.
  • Ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor mit wenigstens einer Brennkammer weist ein Mikrowellenzündsystem entsprechend einer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Mikrowellenzündsystems oder eine beliebige Kombination dieser Ausgestaltungen auf. Vorzugsweise ist dabei jeder Brennkammer eines derartigen Verbrennungsmotors wenigstens ein erfindungsgemäßes Mikrowellenzündsystem zugeordnet.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors umfasst zumindest die folgenden Schritte:
    1. a. Vorsehen eines Hohlraums, wobei ein erster räumlicher Bereich des Hohlraums zumindest teilweise zur Aufnahme eines zündfähigen Fluids und ein weiterer, zweiter räumlicher Bereich des Hohlraums derart ausgebildet ist, dass sich bei Einbringung von Mikrowellenstrahlung eine stehende elektromagnetische Welle in dem zweiten Bereich ausbildet, wobei der zweite Bereich zumindest teilweise mit dem ersten Bereich zusammenfällt, wobei zumindest eine Verbindung zwischen dem ersten Bereich und der Brennkammer einen Austausch von Fluid zwischen dem ersten Bereich und der Brennkammer sowie den Übertritt von heißen flüchtigen Verbrennungsprodukten 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 Vorliegen einer stehenden elektromagnetischen Welle im zweiten Bereich besonders hohe elektrische Feldstärken zu erwarten sind;
    2. b. Einbringen von zündfähigem Fluid aus der Brennkammer in den ersten Bereich durch die Verbindung im Zuge eines Verdichtungsvorgangs die Brennkammer betreffend;
    3. c. Einbringen von Mikrowellenstrahlung in den zweiten Bereich, wobei an den zumindest zwei Mitteln zur lokalen Feldüberhöhung bedingt durch den Spitzeneffekt sich wenigstens zwischen den Mitteln zur lokalen Feldüberhöhung ein oder mehrere elektrische Überschläge durch das zündfähige Fluid ausbilden, die das zündfähige Fluid im Inneren des ersten Bereits zünden und in Folge dessen sich durch die Verbindung ein Flammenstrahl in die Brennkammer ausbreitet und das in der Brennkammer befindliche zündfähige Fluid entzündet.
  • 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 Fluids in dem ersten räumlichen Bereich des Hohlraums in unmittelbarer Nähe zu der zumindest eine Verbindung mit der zugeordneten Brennkammer eines Verbrennungsmotors 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 erfolgt, zum Zeitpunkt einer Zündung jeweils ausreichend zündfähiges Fluid vorhanden.
  • Bei einer privilegierten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors weist die zumindest eine Verbindung einen so hinreichend kleinen Querschnitt auf, dass bei einem Verdichtungsvorgang die Brennkammer betreffend der Druckanstieg in dem ersten Bereich des Hohlraums gegenüber dem Druckanstieg in der Brennkammer zeitverzögert erfolgt und der maximale Druck unmittelbar 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 beträgt. Der geringe Querschnitt der Verbindung hemmt also die Strömung von zündfähigem 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 Bereich 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 Verdichtungsvorgangs 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 regelmäßig zu Problemen hinsichtlich einer zuverlässigen respektive sicheren Zündung des zündfähigen Fluids. Dies begründet sich durch die bei hoher Verdichtung ebenfalls 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 zündfähige Fluide bzw. Fluidgemische. Bei Verwendung aus dem Stand der Technik bekannter Zündverfahren leiden hoch aufgeladene Verbrennungsmotoren unter Wirkungsgradverlusten und ungenügender Laufruhe aufgrund von regelmäßigen Zündaussetzern.
  • Durch eine bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors vorgesehene zeitliche Verzögerung des Druckanstiegs in dem ersten Bereich des Hohlraums gegenüber 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 gegenüber dem in der Brennkammer befindlichen (Haupt-)Teil des zündfähigen Fluids auch eine erheblich geringere Durchschlagsfestigkeit auf. Dadurch können mit einem 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 Merkmalskombinationen 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 Kombinationen 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 einer erfindungsgemäßen Mikrowellenzündvorrichtung in einer ersten Längsschnittansicht;
    Fig. 2
    die erfindungsgemäße Mikrowellenzündvorrichtung gemäß Figur 1 in einer zweiten Längsschnittansicht;
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Mikrowellenzündvorrichtung in einer ersten Längsschnittansicht;
    Fig. 4
    die erfindungsgemäße Mikrowellenzündvorrichtung gemäß Figur 3 in einer zweiten Längsschnittansicht;
    Fig. 5
    eine dritte Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Mikrowellenzündvorrichtung in einer Längsschnittansicht;
    Fig. 6
    eine Ansicht in das Innere in Richtung des ersten Endes (links) und eine zugehörige Längsschnittansicht (rechts) eines Segments des Hohlkörpers einer erfindungsgemäßen Mikrowellenzündvorrichtung im Bereich des ersten Endes basierend auf der Ausgestaltungsvariante gemäß Figuren 1 und 2 mit einer Ausgestaltungsvariante die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung betreffend;
    Fig. 7
    eine Ansicht entsprechend Figur 6 mit einer alternativen Ausgestaltung die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung betreffend;
    Fig. 8
    eine Ansicht entsprechend den Figuren 6 und 7 mit einer weiteren alternativen Ausgestaltung die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung betreffend;
    Fig. 9
    eine Ansicht entsprechend den Figuren 6 bis 8 mit einer zusätzlichen alternativen Ausgestaltung die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung betreffend;
    Fig. 10
    eine Ansicht entsprechend den Figuren 6 bis 9 mit noch einer weiteren alternativen Ausgestaltung die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung betreffend; und
    Fig. 11
    eine Ansicht entsprechend den Figur 6 bis 10 mit noch einer zusätzlichen alternativen Ausgestaltung die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung betreffend.
  • In Figur 1 ist eine Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Mikrowellenzündvorrichtung 1 schematisch in einer ersten Längsschnittansicht dargestellt. Figur 2 zeigt die Mikrowellenzündvorrichtung 1 aus Figur 1 in einer weiteren Längsschnittansicht, wobei die Schnittebene dieser Längsschnittansicht orthogonal zu der Schnittebene der Längsschnittansicht aus Figur 1 ist. Die Mikrowellenzündvorrichtung 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 Beschränkung der Allgemeinheit. Die äußere Grundgestalt, also des Mantels bzw. der äußeren 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 Zündvorrichtungen sowohl ohne Vorkammer, etwa konventionelle Zündkerzen, als auch mit Vorkammer ohne größere Änderungen an bestehenden Auslegungen von Verbrennungsmotoren. Der Hohlkörper 2 weist zwei verschiedene Hohlräume 5 und 6 auf, die sich jeweils durch unterschiedliche Bereiche des Hohlkörpers 2 entlang der Vorzugslängsachse 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 zusammenhängenden Hohlraums des Hohlkörpers auffassen.
  • Der erste Hohlraum 5 des Hohlkörpers 2 ist von rotationssymmetrischer Grundgestalt mit der Vorzugslängsachse des Hohlkörpers 2 als Symmetrieachse. Der erste Hohlraum 5 ist sowohl teilweise als Vorkammer 9 als auch teilweise als Hohlraumresonator 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 Druckfenster 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 zündfähigem Fluid aus einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors, der das Mikrowellenzündsystem 1 zugeordnet oder zuordenbar ist, in die Vorkammer 9. Zudem ermöglichen die Bohrungen 12 den Austritt 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 Übertritt 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 Zwischenhohlraum 11. Der Hohlraumresonator 8 dient der Ausbildung einer stehenden elektromagnetischen Welle in seinem Inneren. Dazu ist in den Hohlraumresonator 8 Mikrowellenstrahlung einkoppelbar, wobei zunächst eine Einkopplung von Mikrowellenstrahlung 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 insbesondere etwa für in der Vorkammer aufgenommenes zündfähiges Fluid und ebenso für heiße flüchtige Verbrennungsprodukte darstellt und somit das zweite oder hintere Ende der Vorkammer 9 bildet, aber zugleich mitten im Hohlraumresonator 8 angeordnet ist, darf das Druckfenster 10 die vorgesehene Mikrowellenstrahlung höchstens geringfügig behindern. Das Druckfester 10 ist daher aus einem mikrowellentransparenten keramischen Material ausgebildet, das zusätzlich auch noch den Bedingungen in unmittelbarer Nähe einer Verbrennung eines zündfähigen Fluids wie etwa starke, plötzliche Druck- und Temperaturschwankungen sowie hohe Spitzendrücke und Spitzentemperaturen dauerhaft standhält.
  • Das Mikrowellenzündsystem 1 in der Ausgestaltungsvariante entsprechend den Figuren 1 und 2 ist beispielhaft für Mikrowellenstrahlung aus dem Ka-Band (Frequenzbereich von 26,5 GHz bis 40 GHz) ausgelegt. Der Mikrowellenhohlleiter 7 ist dabei ein WR34-Rechteckhohl-leiter. 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 Rechteckquerschnitts 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 Mikrowellenhohlleiters 7 einen Abstand zu der Vorzugslängsachse auf. In der Darstellung in Figur 1 mit Einblick in die schmale Seite des Mikrowellenhohlleiters 7 liegt das erste Ende des Mikrowellenhohlleiters 7 an der Mündung in den Hohlraumresonator 8 etwas tiefer als am zweiten oder hinteren Ende 4. Wird dem Mikrowellenhohlleiter 7 eine eigene Vorzugslängsachse zuordnet, schließen die Vorzugslängsachse 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 exzentrische 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 Hohlraumresonator 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. Hohlkörper 2 sind innenseitig umlaufend um die äußere Wandung des Hohlraumresonators 8, die zugleich die äußere Wandung der Vorkammer 9 sowie des Hohlraums 5 ist, Mittel zur lokalen Felderhöhung 13 ausgebildet. Die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung 13 ragen in das Innere, also den inneren Hohlraum, des Hohlraumresonators 8 hinein. Die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung 13 beeinflussen die Verteilung des elektrischen Feldes in dem Hohlraumresonator 8, wenn in den Hohlraumresonator 8 Mikrowellenstrahlung eingebracht bzw. eingekoppelt wird und sich in dem Hohlraumresonator 8 eine stehende elektromagnetische Welle ausbildet. Die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung 13 bewirken gemäß dem Spitzeneffekt besondere hohe elektrische Feldstärken an einem jeweiligen freien, in den Hohlraumresonator 8 hineinragenden Ende eines jeden Mittels 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 Abhängigkeit von den Charakteristika (insbesondere Wellenlänge) der vorgesehenen Mikrowellenstrahlung bei der durch Einkopplung von Mikrowellenstrahlung sich in dem Hohlraumresonator 8 ausbildenden stehenden elektromagnetische Welle besonders hohe elektrische Feldstärken vorliegen. Dabei ist zu beachten, dass die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung die Feldverteilung in dem Hohlraumresonator 8 gegenüber einem identischen Hohlraumresonator 8 ohne solche Mittel zur lokalen Feldüberhöhung 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 Vorzugslängsachse und seine genaue Anordnung in dem ersten Hohlraum 5/dem Hohlraumresonator 8 entlang der Vorzugslängsachse des Hohlkörpers 2. Der schon erwähnte 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 Mikrowellenzündsystems 1 Teil des Hohlraumresonators 8 ist, dient insbesondere der Impedanzanpassung Mikrowellenstrahlung beim Übergang vom Mikrowellenhohleiter 7 in den Hohlraumresonator 8 betreffend.
  • In den Figuren 3 und 4 ist eine zweite Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Mikrowellenzündsystems 1 in einer jeweiligen schematischen Längsschnittdarstellung gezeigt, wobei die Schnittebene der Längsschnittansicht in Figur 4 orthogonal zu der Schnittebene der Längsschnittansicht in Figur 3 ist. Gegenüber der in den Figuren 1 und 2 gezeigten ersten Ausgestaltungsvariante ist die Exzentrizität/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 ersten Ende, also zur Einmündung in den Hohlraumresonator 8 hin, kontinuierlich (linear) 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 Ausgestaltungsvariante gemäß den Figuren 1 und 2 ist eine (im Längsschnitt) S-förmige Verjüngung des ersten Hohlraums 5 bzw. der Vorkammer 9 zum erste oder vorderen Ende 3 hin vorgesehen, bei dem zweiten Ausführungsbeispiel in den Figuren 3 und 4 ist die Verjüngung hingegen konisch ausgeprägt. Ein weiterer Unterschied zu der ersten Ausgestaltungsvariante ist zudem, dass die Mittel zu lokalen Feldüberhöhung bei der zweiten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Mikrowellenzündsystems 1 nicht integral mit der äußeren Wandung des ersten Hohlraums 5/des Hohlraumresonators 8/der Vorkammer 9 ausgebildet sind. Die Mittel zu lokalen Feldüberhöhung 13 sind bei der zweiten Ausgestaltungsvariante gemäß Figuren 3 und 4 durch Ausnehmungen respektive Bohrungen (in den Figuren 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 insofern keine ausgeprägte Spitzenform auf.
  • In Figur 5 ist eine Längsschnittansicht einer dritten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Mikrowellenzündsystems 1 dargestellt. Die dritte Ausgestaltungsvariante weist einen simplen rechteckförmigen Mikrowellenhohlleiter 7 zur Führung von Mikrowellenstrahlung von dem zweiten oder hinteren Ende des Mikrowellenhohlleiters 7 bzw. des Hohlkörpers 2 zur Einmündung des Mikrowellenhohlleiters 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 Querschnitt des Mikrowellenhohlleiters 7. Bei der in Figur 5 gezeigten dritten Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Mikrowellenzündsystems 1 schließt die Vorkammer 9 den Hohlraumresonator 8 vollständig ein. Das zweite Ende des Hohlraumresonators 9 bildet dabei eine exzentrische respektive asymmetrische Lochblende 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 Hohlraumresonators 8 angeordneten Ausnehmung, die einen Eintritt von Mikrowellenstrahlung in den Hohlraumresonator 8 ermöglicht. Die Lochblende 14 erfüllt die gleiche Funktion wie eine exzentrisch oder asymmetrisch angeordnete Mündung des Mikrowellenhohlleiters 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 Ausgestaltungsvarianten von der dem ersten Ende 3 von Hohlkörper 2/erstem Hohlraum 5/Vorkammer 9 zugewandten Grenzfläche der Druckscheibe 10 gebildet wird. Zwischen der Einmündung des Mikrowellenhohlleiters 7 in den ersten Hohlraum 5 und der Druckscheibe 10 dient wiederum der Zwischenhohlraum 11 der Impedanzanpassung Mikrowellen beim Übergang aus dem Mikrowellenhohlleiter 7 in den ersten Hohlraum 5 betreffend.
  • In Figur 6 ist in der linken der beiden Darstellungen eine Ansicht entlang der Vorzugslängsachse eines Hohlkörpers 2 eines erfindungsgemäßen Mikrowellenzündsystems 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 Längsschnittansicht 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 Ausgestaltung der Mittel zur lokalen Feldüberhöhung 13, weshalb insbesondere in der Längsschnittansicht lediglich ein vorderer Endabschnitt des Hohlkörpers 2 gezeigt ist. In dem Ausführungsbeispiel entsprechend der Figur 6 sind die Mittel zur lokalen Feldüberhöhung 13 als rechteckige Stege mit Überhang ausgeführt. Dabei sind sechs identische derartig ausgebildete Mittel zur lokalen Feldüberhöhung 13 innenseitig um die äußere Wandung von ersten Hohlraum 5/Hohlraumresonator 8/Vorkammer 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 Mittel 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 Überhang ausgebildete Mittel zur lokalen Feldüberhöhung 13 vorgesehen.
  • In der Ausführungsvariante gemäß Figur 8 sind sechs als rechteckige schmale Stege mit Überhang ausgebildete Mittel zur lokalen Feldüberhöhung 13 vorgesehen.
  • In der Ausführungsvariante gemäß Figur 9 sind sechs als rechteckige Stege ausgebildete 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 Mittel zur lokalen Feldüberhöhung 13 vorgesehen.
  • 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 Mitteln zur lokale Feldüberhöhung 13 die Feldverteilung im Hohlraumresonator 8 zur Erzeugung von Überschlägen (Lichtbögen) zwischen den Mitteln zur lokalen Feldüberhöhung 13, den Mitteln zur lokalen Feldüberhöhung 13 und der Kuppel 15 und/oder gegebenenfalls zusätzlich zwischen den Mitteln zur lokalen Feldüberhöhung 13, der Kuppel 15 und/oder der äußeren Wandung des Hohlraumresonators 8 beeinflusst, sofern in den Hohlraumresonator 8 Mikrowellenstrahlung eingekoppelt 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 Bezeichnung und eine eigene Referenznummer zugewiesen wurde.
  • Wie bereits in einem vorstehenden Abschnitt erwähnt, ermöglicht die äußere Grundgestalt den Einsatz der in der in den Figuren exemplarisch dargestellten Ausführungen erfindungsgemäßer Mikrowellenzündvorrichtungen 1 bei Verbrennungsmotoren ohne größere Änderungen an bekannten bzw. bestehenden Auslegungen von Verbrennungsmotoren. Die grundsätzliche Ausbildung der in den Figuren gezeigten beispielhaften Ausführungen von Mikrowellenzündkerzen 1 lässt sich dabei auf beliebige Größen und/oder Leistungsklassen von Verbrennungsmotoren adaptieren.
  • Im vorstehenden Ausführungsbeispiel wurde eine Mikrowellenstrahlung aus dem Ka-Band (Frequenzbereich von 26,5 GHz bis 40 GHz) benutzt. Genauso kann mit entsprechender Anpassung eine andere geeignete Mikrowellenstrahlung aus einem 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 (8)

  1. Mikrowellenzündvorrichtung (1) zur Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors, umfassend wenigstens einen Hohlkörper (2) mit einer Vorzugslängsachse und zwei entlang der Vorzugslängsachse 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 Aufnahme eines zündfähigen Fluids in einem Inneren der Vorkammer (9) ausgebildet ist, wobei die Vorkammer (9) sich unmittelbar an das erste Ende (3) des Hohlkörpers anschließt und eine die Vorkammer (9) berandende äußere Wandung des Hohlkörpers (2) in einer Umgebung des ersten Endes wenigstens eine sich vollständig von einer Innenseite zu einer Außenseite durch die Wandung erstreckende Bohrung (12) aufweist, die einen Austausch von Fluid zwischen der Vorkammer (9) und einem Außenraum ermöglicht und zusätzlich zum Austritt von heißen flüchtigen Verbrennungsprodukten 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 Hohlkörpers (2) her von extern Mikrowellenstrahlung einkoppelbar ist, sodass sich eine stehende elektromagnetische Welle in dem Hohlraumresonator (8) ausbildet, und der Hohlraumresonator (8) wenigstens teilweise mit der Vorkammer (9) zusammenfällt, und wobei in einer Umgebung des ersten Endes (3) innenseitig umlaufend um eine äußere Wandung des Hohlraumresonators (8)/des Hohlraums (5) wenigstens zwei Mittel zu lokalen Feldüberhöhung (13) angeordnet oder ausgebildet sind, um eine Verteilung eines elektrischen Feldes in dem Hohlraumresonator (8) zu beeinflussen, wenn in den Hohlraumresonator (8) Mikrowellenstrahlung eingekoppelt wird.
  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 gekennzeichnet, dass die Einkopplung von Mikrowellenstrahlung in den Hohlraumresonator (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 weiterer Hohlraum (6) des Hohlkörpers (2) sich zwischen dem zweiten Ende (4) des Hohlkörpers (2) und dem Hohlraumresonator (8) erstreckt, als Mikrowellenhohlleiter (7) ausgebildet ist, in den am zweiten Ende (4) Mikrowellenstrahlung einkoppelbar ist.
  5. Mikrowellenzündvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Bohrung (12) einen Durchmesser zwischen 0,2 mm und 1,3 mm aufweist.
  6. Verbrennungsmotor mit wenigstens einer Brennkammer, gekennzeichnet durch ein Mikrowellenzündsystem (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5.
  7. Verfahren zur Zündung eines zündfähigen Fluids in einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors mittels einer Mikrowellenzündvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-5, umfassend zumindest die folgenden Schritte:
    a. Vorsehen eines Hohlraums (5),
    wobei ein erster räumlicher Bereich des Hohlraums (9) zumindest teilweise 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 elektromagnetische Welle in dem zweiten Bereich (8) ausbildet,
    wobei der zweite Bereich (8) zumindest teilweise mit dem ersten Bereich (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 Übertritt von heißen 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 Mittel zu lokalen Feldüberhöhung (13) an Stellen vorgesehen sind, an denen bei Vorliegen einer stehenden elektromagnetischen Welle im zweiten Bereich (8) besonders hohe elektrische Feldstärken zu erwarten sind;
    b. Einbringen von zündfähigem Fluid aus der Brennkammer in den ersten Bereich (9) durch die Verbindung (12) im Zuge eines Verdichtungsvorgangs die Brennkammer betreffend;
    c. Einbringen von Mikrowellenstrahlung in den zweiten Bereich (8), wobei an den zumindest zwei Mitteln zur lokalen Feldüberhöhung (13) bedingt durch den Spitzeneffekt sich wenigstens zwischen den Mitteln zur lokalen Feldüberhöhung (13) ein oder mehrere elektrische Überschläge 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.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Verbindung (12) einen hinreichend kleinen Querschnitt 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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