JP2018503018A - 改善されたエンジン燃焼用の装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は１つの装置および１つの方法を提示し、これらの装置および方法を用いて、ボイラまたは内燃エンジンの燃焼室における燃焼の完全さを改善することができる。このためガス状の燃料／空気混合物またはこの成分(複数）の１つが、この燃焼室（ＢＲ）に導入される前に、１つのプラズマ発生器（ＰＧ）を用いて、ラジカルおよびイオンを好適な濃度にエンリッチすることが提案される。【選択図】 図１

Description

本発明はエンジン燃焼室における燃料／空気混合物の燃焼のための方法、および改善されたエンジン燃焼のための方法に関する。

たとえば自動車用のガソリンエンジンおよびディーゼルエンジンのような内燃エンジンにおいては、燃料と周囲空気の混合物が燃焼室に投入され、混合されて、制御された条件下で点火されて燃焼される。この燃焼は、原理的に完全には行われず、この混合物の全ての成分の約９９％のみが燃焼されて水および二酸化炭素となる。残りの部分は、ＮＯ_ｘ、ＣＯ、煤、タール、および炭化水素から成っている。

内部燃焼を有する全ての内燃エンジンは、各々の動作サイクルにより、これに関与するガスが交換され、すなわち排ガスが放出され、新鮮なガスが投入される。現代のエンジンは、このガスを圧縮し、次にこれは高圧で燃焼され、そして再度減圧される。最大可能な効率は、燃焼熱が出入りする温度レベルに依存し、これより圧縮比に依存する。不完全なエンジン燃焼は、その効率をさらに低下させる。これは燃焼室を有する他の技術的装置、たとえばにボイラに対しても当てはまる。

石油に由来する液状の燃料および可燃物は、非常に多くの異なる炭化水素（水素および結合炭素）を含んでいる。これらの燃料をエネルギーに変換するために、燃焼が行われなくてはならない。完全燃焼すると、水と二酸化炭素が生じる。燃焼が不完全の場合、一酸化炭素、煤、およびタールが生成される。

たとえばガスまたはナフサにおけるような小さく軽い炭化水素分子は、容易に燃焼する。これに対して大きく重い炭化水素分子は、それほど容易には燃焼せず、完全燃焼を達成するためには、より高い温度を必要とする。この燃焼プロセスの間、この燃焼の速度は、存在するフリーラジカルの量および濃度、そしてこの燃焼により生じるフリーラジカルによって影響を受ける。これらのフリーラジカルは、特に炭化水素分子の高温での分解によって生成される。その高い反応性によって、これらのフリーラジカルは即座に酸素と反応する。この酸化によって、熱が放出され、この熱はさらなる熱分解をもたらす。

内燃エンジンの燃焼室における燃料混合物の燃焼が長く続くと、その燃焼重心も移動する。さらに、大きなエネルギー使用下での長いスパーク期間は、点火プラグの摩耗を加速し得る。フリーラジカルの高い濃度は、より激しく、かつ速い燃焼プロセスをもたらす。

特許文献１には、エンジン燃焼の改善のために、点火プラグの代わりにプラズマを使用し、このプラズマを燃焼室内で発生することが提案されている。しかしながら、このプラズマ発生器を燃焼室に組み込むこと、そしてこの燃焼室で支配的な条件に適合させることは困難である。

特許文献２は、燃焼室を有する発電機を開示している。エンジン燃焼の効率を改善するために、高電圧源と接続されたプラズマ発生器またはイオン発生器は、イオンを発生し、そしてこれらのイオンを、燃焼室の前段に接続された部位でこの装置に投入する。

特許文献３には、内燃エンジンの効率を改善する方法が開示されており、この方法では、エンジン燃焼はイオン化した酸素で促進される。

特許文献４には、効率が改善された内燃エンジンが開示されており、この内燃エンジンでは、燃焼がオゾンによって促進され、このオゾンは燃焼室への供給空気流においてエンリッチされる。

特許文献５には、燃料改質器を有する燃焼エンジンが開示されており、この燃料改質器は特にプラズマ燃料改質器として実装されていてよい。

独国特許出願公開第１０３３１４１８Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第１８４５２５１Ａ１号明細書 特開Ｓ５８−９３９５２号明細書 米国特許出願公開第２００７／００１２３００Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０３５８２９４Ａ１号明細書

本発明の課題は、改善された装置および方法を提示すること、そしてこの装置を用いて出来る限り完全かつ均一な燃焼を達成することができることであり、この際従来知られた欠点を甘受する必要がない。これに付随するさらなる課題は、燃焼物質／燃料のエネルギー含有量を最大限利用し、かつ有害な排ガスを出来る限り避けることである。

これらの課題は、本発明によれば、請求項１に記載の装置および請求項８に記載の方法によって解決される。本発明の有利な構成例が他の請求項で示される。

本発明は、燃料／空気混合物の燃焼を、燃焼が起こる燃焼室の前段に少なくとも１つの反応室が接続されることによって最適化することを提案し、この反応室においては、この燃料／空気混合物の少なくとも１つの成分が、プラズマ発生器を用いてラジカルおよびイオンでエンリッチすることができる。この燃焼室自体は、公知の内燃装置におけるように形成されていてよい。プラズマ発生器としては、低電圧で駆動可能な圧電トランスが使用される。

さらに本装置は、１つの制御装置を備え、この制御装置を介して上記の燃料／空気混合物の成分のエンリッチを制御することができる。

発明者等は、既に燃焼プロセスの早い段階において、フリーラジカルおよびイオンの適正な濃度が完全な燃焼のために重要であることを見出している。本発明による、反応室に設けられるプラズマ発生器を用いて、フリーラジカルおよびイオンの総数を、既に燃料／空気混合物の燃焼の開始前から大きくすることができる。こうして、この燃料／空気混合物が点火されると、この燃焼は素早く立上り、そしてまた早期に終了することができる。結果としてこの燃焼はさらに完全に進行する。これは特に内燃エンジンにおいては、有利には、燃料／空気混合物の点火がこの燃焼エンジンの動作サイクルに渡って所定の時点で起こり、さらにこの所定の時点としてはほんの狭い時間ウィンドウが用いられる。本発明は、この時間ウィンドウ内で燃焼を完全に行うことを容易にするものである。この結果、従来よりも多くの燃焼物質または燃料の部分をエネルギーとして使用および転換することができる。

上記のプラズマ発生器として使用される、低電圧で駆動可能な圧電トランスは、よりコンパクトな構造で製造することができ、そしてこれを用いてその入力側に、たとえば自動車において一般的な、たとえば１２，２４，または４８Ｖの低い駆動電圧を用いて駆動することができる。

さらにこのようなプラズマ発生器を用いて、５０℃より低い温度の冷プラズマを生成することができ、この冷プラズマは、本装置およびこれに使用される材料に大きな負荷をかけることなく、そしてしたがってこの反応室の材料に対する高すぎる仕様をまったく課すことがない。この反応室および上記の燃焼室へのガス吸気部の形成のためには、したがって大部分従来の材料を使用することができる。

しかしながら、上記の反応室、および反応室と燃焼室との間の結合部に滑らかでかつ特に不活性の表面を設けること、あるいは不活性かつ滑らかなコーティングを備えることが有利である。ここで不活性とは、この表面が、上記のラジカルおよびイオンがリッチなガスにおけるラジカルおよびイオンが低下され得るような、プラズマとのイオン反応またはラジカル反応を全く起こさないことを意味する。

さらに、上記の反応室を空間的に出来る限り上記の燃焼室の近くに配置し、これらの間の結合部および供給部を出来る限り短く実装することが、ラジカルおよびイオンがリッチなガス状成分のこれらの結合部および供給部での滞在時間を極小化するために有利である。このようにして極めて短い半減期を有するラジカルおよびイオンの濃度が上記の燃焼室への輸送の間に大きく減少することが避けられる。「ガス状」とは、本発明においては、そして以下の説明では、ガスのように振る舞う混合物であり、たとえば微細な分散された液体(霧）のようなものであると理解される。

圧電トランス（ＰＴ)は、その圧電効果によって高い電界を発生する。この電界は、上記のガスおよび液体を電気的励起にによってイオン化することができる。このＰＴの二次側で、この交流電界は、原子および分子の強い分極、励起、およびイオン化を引き起こす。このプロセスは、圧電的に点火されるマイクロプラズマ、ＰＤＰ（Piezoelectric Discharge Plasma）を発生する。ＰＤＰは、典型的な誘電体バリア放電（ＤＢＤ）に相当する特性を有する。ＰＤＰは、０．０１ｍｂａｒ〜２０００ｍｂａｒの広い圧力範囲で点火することができ、これは特に、燃焼に対する様々な要求仕様に適合することができる。

圧電トランスでは、一次側に供給される交流は、圧電結晶上に蒸着された電極、または、セラミックで構成されているものでは、そのトランスのセラミック構造体に焼き付けられた電極を介して、まずこの圧電体の内部における機械的な振動に変換される。ここでこの機械的な振動の周波数は、実質的にこの圧電トランスの幾何形状および機械的構造に依存している。

以上により、このトランスＰＴの内部で力学的な波が形成され、この力学的な波は、圧電効果によって、二次側の電極に出力電圧を生成する。この際この二次側出力電圧の大きさは、特に結晶片あるいはセラミック体の形状、および電極の位置に依存する。

ＰＤＰ（Piezoelectric Discharge Plasma）の発生には、ローゼン型の圧電トランス（ローゼン型ＰＴ）が特に適しているが、これはこのタイプが高い電力密度および非常に高い昇圧比をもたらすからである。一次側の電極を内部に有するセラミック多層構造を用いることがとりわけ有利であるが、これは上記のプラズマの点火のために非常に小さな一次側電圧を用いることができるからである。実際には、こうして１０００を越える変圧比を達成することができる。

これらの圧電トランスは、本発明によれば、その共振周波数で有利に駆動される。１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの周波数が、このＰＤＰの点火に対し最適である。

駆動体が最適にこの共振に合わせられ、そしてこのＰＴのインピーダンスに合わせられると、上記の力学的振動の放電プロセスへの変換が高い効率で行われる。プラズマ発生下の条件でのこのシステムの動作特性は、このシステムの電気的な小信号特性によって大きく異なっている。放電が開始される閾値では、ＰＴのダンピングが大きくなり、カップリングされる電力が大きくなり、そして共振周波数がシフトする。上記のＰＤＰを安定化するために、たとえば周波数が再調整されてよい（周波数トラッキング）。

１つの有利な実施形態においては、本装置の燃焼室は、１つのガス排出部を備え、このガス排出部に、または（ガスの流れ方向で見て）このガス排出部の後に１つのセンサが配設されており、このセンサはフィードバックループを介して上記の制御装置と接続されている。このセンサは、燃焼の完全さの程度を示す１つの値を検出するために構成されている。

このようなセンサは、たとえば燃焼されていない炭化水素の濃度を決定するために構成されている。もう１つの可能性は、このセンサを１つのラムダプローブのように構成することであり、そして上記の燃焼室から排出される排ガスにおける酸素の濃度を決定することである。上記の両者は、この燃焼室における燃焼の完全さの指標である。

上記の制御装置は、上記のセンサによって測定された値に依存して、上記のフィードバックループを介して上記のプラズマ発生器を制御し、ラジカルおよびイオンの上記の濃度を最適に調整するようになっていてよい。

１つの実施形態においては、このプラズマ発生器は、それぞれ対応する、カップリングされる一次電力によって制御される。これは、たとえば印加された駆動電圧によって、これにより誘導される駆動電流を発生する。

代替として、または追加的に、本発明による装置は、上記のガス状成分における、あるいはこのガス状成分のラジカルおよびイオンの上記の濃度を、上記の燃焼室への吸気の前に検出するための１つのセンサ、たとえば１つのガス／イオンセンサを備えてよい。このセンサは、この燃焼室への上記のガス吸気部の前に配設されていてよく、そして同様に上記の制御装置と接続されてよい。

単に１つのこのようなセンサを有する実施形態は、それぞれの燃焼条件に必要な、ラジカルおよびイオンの最適な１つの濃度が分っていることを前提としている。このようなセンサは、上記の燃焼室へ投入される空気／燃料混合物の量が速くかつ大きく変化する場合に意味を持ち得る。このようなセンサを用いて、以上のように変化するこの空気／燃料混合物の流れの速度を補償することができる。ゆっくりとした流れ速度では、上記のシステムにおける滞在時間が長くなり、これによって本来の燃焼が始まる前に、ラジカルおよびイオンの崩壊がより多くなるが、これは以下の制御によって補償することができる。

本発明によれば、上記の反応室内では、上記の燃料／空気混合物の一部分のみでラジカルおよびイオンがリッチとなっている。この部分は体積分率であってよい。しかしながらこの燃料／空気混合物の１つの成分のみでラジカルおよびイオンがリッチとなっていてもよい。

具体的には、上記の最初の場合には、上記の燃焼室におけるラジカルおよびイオンの濃度は、以下のようにして、この燃料／空気混合物の第１および第２の部分流の混合比によって調整および制御することができる。この第２の部分流は、上記の反応室を介して導かれておらず、したがってプラズマ成分を含んでいない。すなわちラジカルおよびイオンは含んでいない。

このようにして、プラズマ発生器の出力を変更することなく、上記の燃焼室内の上記の燃料／空気混合物におけるラジカルおよびイオンの濃度を調整することができる。

以下で実施形態例とこれに関連した図を用いて、本発明による装置およびそこで実施される方法を、より詳細に説明する。これらの図は見易くするため、そして本発明をより良く理解するためのものであり、したがってこれらは概略的にのみ示されており、そして寸法は正確には示されていない。このためこれらの図においては、絶対的な寸法も相対的な寸法も用いることはできない。

本発明による装置の第１の実施形態を示し、この実施形態では、燃料／空気混合物の２つの部分流が燃焼室に導かれる。 本装置の第２の実施形態を示し、この実施形態では、全ての燃料／空気混合物がプラズマ発生器を有する反応器を通って導かれる。 本発明による装置の第３の実施形態を示し、この実施形態では、燃料／空気混合物の空気の部分が反応室を介して燃焼室へ導かれ、一方燃料は直接この燃焼室へ導かれ、そして具体的には噴射される。 本発明による反応室の１つの構成を示す。 本発明に使用可能な圧電トランスを概略的に示す。

図１は、本発明による装置の第１の実施形態を示す。この実施形態は燃焼室ＢＲ、およびこの前段に接続された反応室ＲＲを備える。反応室吸気部ＲＥを介して、燃料／空気混合物の第１の成分または第１の部分流Ｋ１が、この反応室ＲＲへ導入される。この反応室には、プラズマ発生器ＰＧが配設されており、このプラズマ発生器は、投入されたガスによる特別な追加的な処理によって適宜パージされる。このプラズマ発生器は、プラズマ中の第１の成分の一部を転換し、すなわちこの第１の成分をラジカルリッチおよびイオンリッチにする。

この反応室ＲＲから、上記のプラズマリッチな成分／上記の部分流がプラズマ成分供給管ＰＺを介してこの反応室ＲＲから引き出される。このプラズマ成分供給管には、１つの流量調節バルブＤＶが配設されており、これを介して上記のガス流が調整され、具体的には低減することができる。

上記の燃料／空気混合物の第２の成分Ｋ２、あるいは上記の燃料／空気混合物の第２の部分流は、燃料導入管ＢＺおよび燃料吸気部ＢＥを介して上記の燃焼室ＢＲに導入される。このプラズマ成分供給管ＰＺは、この燃焼室の近傍でこの燃料供給管ＢＺに合流する。ここでも同様にこの燃料吸気部ＢＥの近傍に、１つのガス／イオンセンサＧＩＳが配設されている。このガス／イオンセンサＧＩＳは、この燃料供給管ＢＺ内で、上記の燃料／空気混合物のプラズマ成分を表す１つの値を検出する。たとえば、このセンサはこの混合物のイオン化の程度を測定する。この混合物のオゾン含有量を確定することも可能であり、このオゾン含有量は、この混合物のプラズマ成分に対する１つの典型的な値を表している。

イオンセンサは、たとえば導電率センサとして構成されていてよい。ここで空間で互いに距離を置いた、あるいは１つの表面上に所定の距離を置いて配設された２つの電極の間の導電率が、これらの電極間に渡る距離がプラズマを含有する混合物によってパージされる際に、測定される。

燃焼室ＢＲ自体は、内燃エンジンの燃焼室、たとえばガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンの燃焼室である。しかしながらこの燃焼室ＢＲは、１つのボイラに付随するものであってもよく、そして１つの純粋な熱発生器であってもよい。いずれの場合でも、この燃焼室ＢＲ内で上記の燃料／空気混合物が点火される。既に最初から存在しているイオンおよびフリーラジカルの量のために、この燃料／空気混合物の点火が容易となり、この燃焼は完全に行われる。

１つの内燃エンジンにおいては、この混合物は圧縮され、そして所望の時点、具体的には最大の圧縮となる程度の所で、点火源を用いて点火される。１つの熱発生器の燃焼室ＢＲにおいては、連続的な点火が行われる。

この混合物の燃焼から生じる排ガスは、燃焼室排気部ＢＡを介してこの燃焼室ＢＲから引き出される。１つの内燃エンジンにおいては、これはこのエンジンのサイクルで行われ、これに対し１つの熱発生器では通常連続的に行われる。

さらに本装置は、１つのフィードバックループＦＢを介して、上記のガス／イオンセンサＧＩＳを、１つの制御装置ＳＥと接続する。この制御装置は、さらにプラズマ発生器ＰＧと接続されており、たとえばこれに使用されるように設定された電力によって、具体的には電圧によって、このプラズマ発生器のプラズマ生成を制御する。

さらに燃焼室排気部ＢＡに、またはこの燃焼室排気部の後に配設される１つのセンサ、および１つのフィードバックループＦＢが設けられてよい。このセンサは、燃焼の完全さの程度を示す１つの値を検出するために構成されている。このフィードバックループを介して、この値は上記のプラズマ発生器の制御のために上記の制御装置によって利用することができ、そしてこれによって燃焼室における燃焼能力の改善に利用することができる。

１つの有利な実施形態においては、プラズマ発生器ＰＧとして、１つの圧電トランス（図５参照）が使用される。この圧電トランスは、たとえば棒形状に形成されており、その一次側に１つの多層構造を備え、この多層構造においては圧電性のセラミック層(複数）とこれに対応する電極(複数）とが交互になっている。これらの電極には、印加される一次電圧が異なる極性で交互に印加される。

本発明に適したプラズマ発生器は、たとえばＥＰＣＯＳ（登録商標）社からＣｅｒａＰＬＡＳ（商標）の商品名で販売されている。このプラズマ発生器は、棒形状の多層構造を有するＰＺＴセラミック体をベースにしており、銅を含む電極(複数）を備えている。

この圧電トランスは、ローゼントランスすなわちローゼン型トランスであり、交流が印加されてその棒形状のセラミック体に長手方向の振動を発生する。長手方向の波は、この棒形状のセラミック体の両方の端部でそこに取り付けられた二次側電極を用いて取り出すことができる。この二次側では、１０００に達する係数の電圧変圧比とすることができる。これはたとえば１２Ｖの入力電圧で１０〜１５ｋＶの領域の出力電圧を意味する。この二次側の棒端部での適合した電極構成によって、そこに放電によってプラズマが点火され、すなわち生成される。

このプラズマ自体は、誘電体バリア放電に類似したプロセスによって、１つの放出電極の近傍で生成される。しかしながらこの放出電極の近傍には対電極は全く必要でない。この放出電極は、好ましくは上記のセラミック体の１つのエッジで、その表面へ導かれており、そこで高電圧放電がプラズマを発生することができる。

ここで上記のフィードバックループＦＳは、燃焼室吸気部の直前で測定されたガス成分Ｋ１のプラズマ含有量をこのフィードバックループおよび上記の制御装置ＳＥを介して制御するために用いられ、好ましくはここでその出力、言い換えればそのプラズマ発生が制御される。

図２は、本発明のもう１つの実施形態を概略断面図で示す。この実施形態においては、上記の全ての燃料／空気混合物は、１つの燃料供給管ＢＺを用いて、反応室ＲＲに導入され、そこでプラズマ発生器（図２は、特に図示せず）によってフリーラジカルおよびイオンがエンリッチされる。このフリーラジカルおよびイオンがエンリッチされた燃料／空気混合物は、ここで一体化されたプラズマ成分供給管／燃料供給管ＰＺ／ＢＺを介して燃焼室ＢＲに向かって導かれる。この燃焼室の近傍にも、１つのガス／イオンセンサＧＩＳが配設されており、このセンサは上記のプラズマ含有量、具体的には上記のフリーラジカルおよびイオンがエンリッチされた燃料／空気混合物におけるフリーラジカルおよびイオンの含有量を検出することができる。

上記の燃焼室ＢＲへの吸気部は、１つの簡単なバルブまたは１つのノズルであってよい。この図に示されていない１つのフィードバックループＦＳを介して、上記のプラズマ発生器の出力が１つの制御装置ＳＥによって、測定されたプラズマ濃度に依存して所与の最適値に調整される。

この所与の最適値は、既知であるか、あるいはこの燃焼室ＢＲにおける他の動作パラメータに依存するようになっているか、または依存していてよい。内燃エンジンでは、たとえば要求される出力に依存し、または燃焼室ＢＲに導入される燃料／空気混合物における時間当たりの量に依存していてよい。この実施形態においては、この混合物における空気に対する燃料の比率は、上記の反応室ＲＲの前段で調整される。上記のプラズマ励起は、こうしてこの燃料／空気混合物において行われ、図１に示す装置でのように、この燃料／空気混合物の１つの成分のみにおいて行われるものではない。

図３は、本発明による装置の第３の実施形態を示す。この実施形態の装置は、図２に示す装置に類似して構築されており、ただし、空気成分Ｋ１のみがプラズマリッチとなっており、そしてプラズマ成分供給管ＰＺを介して反応室ＲＲに導入される点で異なっている。このプラズマリッチとなっている空気成分は、直接燃焼室ＢＲに導かれる。燃料成分Ｋ２自体は、分離されて１つの燃料供給管ＢＺを介してこの燃焼室ＢＲに導入され、具体的には噴射される。ここでもまた１つのガス／イオンセンサＧＩＳが、このプラズマ成分供給管ＰＺにおいてこの燃焼室ＢＲの吸気部の近傍に配設されており、１つのフィードバックループを介して上記の制御装置（図示せず）および上記のプラズマ発生器（同様に図示せず）と接続されている。

この実施形態は、燃焼室ＢＲに導入されたプラズマリッチな空気の量によって、この燃焼室で主に用いられるイオンおよびラジカルの濃度に調整することを可能とする。しかしながら噴射される燃料に対してプラズマリッチな空気を一定の比率で調整するように、あるいはこの比率を燃焼室の動作状態に依存するように、したがって内燃エンジンあるいは熱発生器の出力に依存するように構成することも可能である。

図４は、１つの反応室の概略断面図を示し、この反応室がどのように本発明でプラズマリッチな燃料／空気混合物を生成するために使用され得るかを示す。

反応室ＲＲには、１つの反応室吸気部ＲＥおよび１つの反応室排気部ＲＡが設けられており、これらは好ましくは互いに反対側に配設されている。この反応室ＲＲの内部には、少なくとも上記のプラズマ発生器ＰＧが配設されており、好ましくは、図に示すように、これに付随する１つの電気制御ユニットＳＰも設けられている。

二次側すなわち高電圧側で誘電体バリア放電を起こす圧電トランスとして構成されている、上記のプラズマ発生器ＰＧの構造のおかげで、このトランスのセラミック体からの放電が起こる端部にプラズマ雲が形成される。

好ましくは上記の反応室吸気部ＲＥに、またはこの反応室吸気部の直後に、１つの通風機Ｌが配設されており、この通風機は上記の反応室ＲＲ内部の空気の移動のために用いられ、こうして生成された空気流は上記のプラズマ発生器ＰＧをパージすることができる。追加的に上記の反応室排気部ＲＡがなお開かれていると、これより上記のプラズマ雲Ｐを反応室排気部ＲＡの方向に押し出す空気流が生成され、こうして各々の放電点で、図示するようにほぼ円錐形状の１つのプラズマ雲が形成される。ここでこの通風は、この反応室ＲＲを通流するガスあるいは上記の燃料／空気混合物またはこの全混合物が、この反応室排気部ＲＡの領域においてラジカルおよびイオンで均一にエンリッチされ、すなわちプラズマ成分で均一にエンリッチされるように調整される。

図５は、プラズマ発生器ＰＧとして使用可能な１つの圧電トランスの構造を概略図で示す。この圧電トランスは、たとえば長く延びた直方体の形状、すなわち１つの棒形状の構造を備える。この図で左側に示す一次側、すなわち低電圧側に、この直方体は１つの多層構造ＭＡを備え、この多層構造においては、好ましくは銅から成る電極層(複数）と、好ましくはＰＺＴセラミックから成る圧電層とが交互になっている。この多層構造ＭＡは、全体として１つの低電圧源ＳＱ_ｐと接続されており、この低電圧源は上記の電極層(複数）を交互に交流低電圧と接続している。

上記の二次側、すなわち上記の圧電トランスの高電圧側は、このトランスのセラミック体のほぼ半分に渡って延伸しており、そして全く内部電極層を備えない。この二次側は、１つの単一の圧電性の圧電素子を備え、その電極(複数）は端面(複数）、すなわち上記の棒状体の端部に、上記の層の面に対し横方向に配設されている。ここで二次電圧ＳＶは、一次側の１つの電極と、１つの端面電極ＳＥとの間に印加される。

１つの二次側電極ＳＥは、上記の高電圧側で上記のセラミック基体の近傍に、すなわちこのセラミック基体の表面まで導かれており、こうしてそこで放電を起こすことができる。図５においては、この部分は、右側の端面、すなわち右側端面の１つのエッジである。この電極は、この高電圧放電が狙いを定めて個々の点(複数）で起こるように、この表面へ導かれており、こうしてそこでそのエネルギーが集中し、そしてプラズマ生成が改善され、すなわちこうしてプラズマ収率を最大にすることができる。代替として、このプラズマを広い放出面に渡って点火するために、上記の端面は、凸状に形成されていてもよく、またはその角およびエッジが丸められていてよい。

上記の圧電トランスの電気制御ユニットＳＰは、１つのＨＦ源を備え、このＨＦ源の信号が上記の一次側でその電極（複数）に印加される。さらにこの制御ユニットＳＰは、１つの電圧レギュレータを備え、この電圧レギュレータを介してプラズマ発生器ＰＧの出力を調整することができる。さらに、この電気制御ユニットＳＰは、上記の制御装置ＳＥの少なくとも一部を、またはこれを全部含んでいてよい。

本発明による装置を用いて、上記の燃焼室から分離された反応室において、上記の圧電トランスの高電圧側の角およびエッジまたは端面で、上記の燃料／空気混合物の少なくとも１つの成分のイオン化によって、フリーラジカルおよびイオンを生成することができる。この装置を用いて、制御された量のフリーラジカルを上記の燃焼室に投入することができる。

このフリーラジカルおよびイオンの量の調整は、混合の調整によって行うことができる。ここで１つの第１の成分Ｋ１は、上記の反応室を潅流する成分である。他の成分は、上記の全燃料／空気混合物に対して欠けている残りの部分、具体的には燃料である。しかしながら、この他の成分は１つの燃料／空気混合物を含んでもよい。フリーラジカルおよびイオンの量の制御を上記の燃焼室において、上記のプラズマ発生器の出力によってのみ制御することも可能である。

そもそも反応室ＲＲが燃焼室ＢＲから分離されていることによって、１つの圧電トランスをプラズマ発生器用の高電圧の生成のために使用することが可能となる。ガス成分または燃料／空気混合物成分の供給を制御するためのバルブ、ノズル、および開口部は、これらの成分用の供給管(複数）および／または上記の反応室排気部ＲＥに設けられている。

好ましくは上記の反応室の入口に設けられている、上記の任意に追加される通風機を用いて、この反応室を潅流する混合成分を良好に混合することができる。上記のプラズマ発生器をこの反応室に設けることは、単なる従来技術で知られた燃焼室におけるプラズマ発生器よりも経済的であり、そしてより少ない技術的なコストで構成されることになる。

本発明によれば、上記のプラズマ発生器および上記の反応室用には、高温に耐える解決策は全く必要でない。これは高温は上記の燃焼室においてのみ発生し得るからである。さらにこのプラズマ発生器は、たとえば１２Ｖの低い電源電圧および小さな電力を用いて使用することができる。したがって本発明による装置では、高電圧ケーブルおよび／または高電圧コネクタは全く必要でない。

実施形態により、フリーラジカルの必要な量を簡単なやり方で制御するための様々な可能性が提示されている。

本発明は、少数の実施形態例のみを参照して説明されたが、しかしながらこれらに限定されるものではない。特に上記の図(複数）に示された実施形態(複数）には、本装置の正確な構成の仕様は全く指示されていない。本装置構成および本方法の実施は、請求項によってのみ規定されており、特許請求の範囲内で変形可能である。上記の特徴が新規なものである限り、これらの組合せおよび部分的組合せも、たとえこれらの特徴が請求項の組合せによって提示されていない場合であっても、本発明として提示されるものである。

Claims (12)

1. 燃料／空気混合物の燃焼のための装置であって、
   燃料または空気または燃料／空気混合物の供給のための少なくとも１つの燃焼室吸気部（ＢＥ）を備える１つの燃焼室（ＢＲ）と、
   前記燃焼室（ＢＲ）の前段に接続されており、１つのプラズマ発生器（ＰＧ）を備える１つの反応室（ＲＲ）であって、当該プラズマ発生器（ＰＧ）が低電圧で駆動可能な圧電トランスである反応室と、
   前記プラズマ発生器（ＰＧ）用の１つの制御装置（ＳＥ）と、
   を備え、
   前記装置は、本来の燃焼プロセスが始まる前に、前記反応室（ＲＲ）において、複数のガス状成分の少なくとも１つが、前記プラズマ発生器（ＰＧ）を用いて、ラジカルおよびイオンでエンリッチされ、続いて前記燃焼室吸気部（ＢＥ）を介して、本来の燃焼のために前記燃焼室（ＢＲ）に導かれるように構成されている、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記圧電トランスは、前記圧電トランスの高電圧側の表面で直接プラズマが点火されるように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記燃焼室（ＢＲ）は、１つの内燃エンジンの一部であることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置において、
   前記燃焼室（ＢＲ）は、１つの燃焼室排気部（ＢＡ）を備え、
   前記制御装置（ＳＥ）は、前記燃焼室排気部（ＢＡ）に、または当該燃焼室排気部の後に配設される１つのセンサと、１つのフィードバックループ（ＦＢ）とを備え、
   前記センサは、燃焼の完全さの程度を示す１つの値を検出するために構成されており、
   前記制御装置（ＳＥ）は、前記燃焼を最適化するために、前記センサによって測定された値に依存して、前記フィードバックループ（ＦＢ）を介して前記プラズマ発生器（ＰＧ）の出力を制御するように構成されている、
   ことを特徴とする装置。
5. 前記ガス状成分における、あるいは前記ガス状成分のラジカルおよびイオンの濃度を検出するための１つのガス／イオンセンサ（ＧＩＳ）を備え、当該ガス／イオンセンサ（ＧＩＳ）は、前記燃焼室吸気部（ＢＥ）の前に配設されており、そして前記制御装置（ＳＥ）と接続されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記反応室（ＲＲ）および前記燃焼室吸気部（ＢＥ）には、不活性かつ滑らかな表面が設けられており、または不活性かつ滑らかな材質からなるコーティングを備えることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記反応室吸気部（ＲＥ）の近傍に、前記反応室（ＲＲ）における前記ガス成分の混合のために構成されている１つの通風機（Ｌ）を備えることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置において、
   前記燃料／空気混合物の生成のための第１の部分流（Ｋ１）および第２の部分流（Ｋ２）が生成され、そして前記燃焼室（ＢＲ）に導入され、
   前記プラズマ発生器（ＰＧ）を用いて、前記燃料／空気混合物の前記第１の部分流（Ｋ１）においてのみ、前記反応室（ＲＲ）においてラジカルおよびイオンが発生され、
   前記第１の部分流（Ｋ１）は、前記反応室（ＲＲ）を通って導かれ、これに対し前記第２の部分流は前記反応室（ＲＲ）を通って導かれておらず、
   前記制御装置（ＳＥ）は、前記燃焼室吸気部（ＢＥ）を介して前記燃焼室（ＢＲ）に導入される前記燃料／空気混合物全体におけるラジカルの濃度を、前記第１の部分流および前記第２の部分流から成る燃料／空気混合物の組成の変化を用いて制御する、
   ことを特徴とする装置。
9. 燃焼エンジンまたはボイラの燃焼室（ＢＲ）における燃料／空気混合物の燃焼を改善する方法であって、
   前記燃料／空気混合物または当該混合物の１つの成分は、前記燃焼室（ＢＲ）へ導入される前に、低電圧で駆動可能な圧電トランスとして構成されている１つのプラズマ発生器（ＰＧ）を用いて、ラジカルおよびイオンでエンリッチされ、
   １つの制御装置（ＳＥ）および１つのセンサを用いて、前記燃焼室（ＢＲ）における燃焼の完全さが測定され、そして当該センサによって検出された値から前記ラジカルおよびイオンの前記濃度が、前記燃焼の完全さを改善するように調整される、
   ことを特徴とする方法。
10. 前記圧電トランスの高電圧側の表面で直接プラズマが点火されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記ラジカルおよびイオンの前記濃度の調整のために、前記プラズマ発生器（ＰＧ）の出力が変化されることを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
12. 請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の方法において、
    前記燃焼室（ＢＲ）に導入されるガス状の成分の全量は、２つの分流（Ｋ１，Ｋ２）から組成され、
    前記プラズマ発生器（ＰＧ）を用いて、前記燃料／空気混合物の第１の部分流（Ｋ１）においてのみ、前記反応室（ＲＲ）においてラジカルおよびイオンが生成され、
    前記ラジカルおよびイオンの前記濃度の調整のために、前記燃料／空気混合物の全量でのそれぞれ対応する前記第１の部分流（Ｋ１）の量が設定され、そして調整される、
    ことを特徴とする方法。

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