WO2016087547A1 - Vorrichtung und verfahren zur verbesserten verbrennung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur verbesserten verbrennung Download PDF

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WO2016087547A1
WO2016087547A1 PCT/EP2015/078411 EP2015078411W WO2016087547A1 WO 2016087547 A1 WO2016087547 A1 WO 2016087547A1 EP 2015078411 W EP2015078411 W EP 2015078411W WO 2016087547 A1 WO2016087547 A1 WO 2016087547A1
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WO
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combustion chamber
combustion
fuel
air mixture
radicals
Prior art date
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PCT/EP2015/078411
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Inventor
Georg KÜGERL
Markus Puff
Christoph Auer
Stefan Nettesheim
Original Assignee
Epcos Ag
Relyon Plasma Gmbh
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Publication date
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Priority to US15/532,989 priority patent/US10487784B2/en
Priority to JP2017530039A priority patent/JP2018503018A/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M27/00—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like
    • F02M27/04—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like by electric means, ionisation, polarisation or magnetism
    • F02M27/042—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like by electric means, ionisation, polarisation or magnetism by plasma
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K5/00—Feeding or distributing other fuel to combustion apparatus
    • F23K5/02—Liquid fuel
    • F23K5/08—Preparation of fuel
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/2475—Generating plasma using acoustic pressure discharges
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/2475—Generating plasma using acoustic pressure discharges
    • H05H1/2481—Generating plasma using acoustic pressure discharges the plasma being activated using piezoelectric actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/99005—Combustion techniques using plasma gas

Definitions

  • the invention relates to a device for improved combustion of a fuel / air mixture in one
  • Combustion chamber and a method for improved combustion.
  • EP 1845251 AI discloses a generator with a
  • connected plasma or ion generator generates ions and feeds them into the device upstream of the combustion chamber to improve the efficiency of the combustion.
  • JP S58-93952 A a method for improving the efficiency of an internal combustion engine is known, in which the combustion is conveyed by ionized oxygen.
  • the object of the present invention is to provide an improved apparatus and a method with which a
  • the invention proposes to optimize the combustion of a fuel / air mixture in that at least one reactor space is connected upstream of the combustion space in which the combustion takes place, in which at least one
  • Plasma generator with radicals and ions can be enriched.
  • the combustion chamber itself can then be as in known
  • Combustion devices may be formed.
  • Plasma generator is a low voltage operated piezoelectric transformer used.
  • the device comprises a control device, via which the enrichment of the component of the fuel / air mixture can be regulated.
  • the inventors have realized that the right concentration of free radicals and ions is important for the completeness of the combustion already at an early stage of the combustion process.
  • the plasma generator provided according to the invention in the reactor space, the number of free radicals and ions can be increased even before the beginning of the combustion in the fuel / air mixture. Then you can burn
  • operable piezoelectric transformer can be made in a compact design and with the usual for example in motor vehicles low operating voltages of, for example, 12, 24 or 48 V on the input side
  • Gas inlet into the combustion chamber can therefore be largely used the conventional materials.
  • Inert means that the surface does not undergo ionic or radical reactions with the plasma, which could reduce the concentration of free radicals and ions in the enriched gas.
  • the reactor space spatially as close as possible to the combustion chamber and to make the connections and inlets therebetween as short as possible in order to minimize the residence time of the gaseous component enriched with radicals and ions therein. In this way it is avoided that the concentration of radicals and
  • the alternating electric field generates a strong
  • PDP piezoelectric Discharge Plasma
  • DBD dielectric barrier discharges
  • the primary side supplied AC voltage is on the vapor-deposited on a piezo-electric crystal or ⁇ - in ceramic type - in the ceramic structure of the transformer
  • the frequency of the mechanical vibration is essentially of the geometry and the mechanical
  • Characterized a mechanical wave forms from within the transformer PT, which produced by the piezoelectric effect on the secondary-side electrode is an output voltage ⁇ .
  • the height of the secondary-side output voltage is among other things of the geometry of Crystal platelet or the ceramic body and the position of the electrodes dependent.
  • Rosen type PT piezoelectric transformers are particularly suitable since this type provides high power densities and very high transmission ratios.
  • Particularly advantageous is the use of a ceramic
  • Multilayer structure with internal electrodes on the primary side since in this way particularly low primary voltages can be used to ignite the plasma.
  • transformation ratios of more than 1000 can be achieved.
  • the piezoelectric transformers are advantageously operated according to the invention at their resonance frequencies.
  • Frequencies between 10 kHz to 500 kHz are optimal for igniting PDP. If the power driver is optimally adapted to the resonance and the impedance of the PT, the conversion of the mechanical oscillation into the discharge process takes place with high efficiency. The operating behavior of the system under plasma-generating conditions differs greatly from
  • Threshold at which the discharge ignites increases the attenuation of the PT, the coupled power increases and the
  • the combustion chamber of the device has a gas outlet, on or behind the (in Gas flow direction seen), a sensor is arranged, which is connected via a feedback loop with the control device.
  • the sensor is designed to detect a value that is a measure of the completeness of the combustion.
  • such a sensor is designed to determine the concentration of unburned hydrocarbons.
  • Another possibility is to design the sensor as a lambda probe and to determine the concentration of oxygen in the exhaust gas derived from the combustion chamber.
  • the control device can now be set up as a function of the value determined by the sensor via the
  • the plasma generator is controlled by a corresponding injected primary power. This can be done for example by the applied operating voltage induced thereby operating current.
  • the device may include a sensor for detecting the concentration of radicals and ions in the gaseous component or components prior to entry into the gaseous component
  • Combustor include, for example, a gas / ion sensor.
  • This sensor can be arranged in front of the gas inlet into the combustion chamber and also connected to the control device.
  • this version with just such a sensor requires that a required for the respective combustion conditions ⁇ optimum concentration of radicals and ions is known. Such a sensor can then be useful if the amount to be introduced into the combustion chamber
  • Air / fuel mixture varies rapidly and greatly. With such a sensor, the thereby varying flow ⁇ speed of the fuel / air mixture can be compensated. At slower flow rate results in a longer residence time in the system and thus a
  • Fuel / air mixture enriched with radicals and ions ⁇ can consist of a volume fraction. However, it is also possible to enrich only one component of the fuel / air mixture with radicals and ions.
  • the concentration of radicals and ions in the combustion chamber can be set and controlled in this way by the mixing ratio of a first and second partial flow of the fuel / air mixture.
  • the second partial flow is then not passed over the reactor space and is therefore free of plasma fractions, ie free from
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the invention
  • Partial streams of the fuel / air mixture are fed into the combustion chamber
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the apparatus in which the entire fuel / air mixture is passed through the reactor with the plasma generator
  • FIG. 3 shows a third embodiment of a
  • FIG. 5 shows schematically one for the invention
  • Figure 1 shows a first embodiment of the device according to Inventive ⁇ . This consists of the combustion chamber BR and this upstream reactor space RR. About one Reactor space inlet RE is a first component or a first partial flow Kl of the fuel / air mixture in the
  • Reactor space RR introduced.
  • a plasma generator PG is arranged, which is optionally washed by special additional measures of the introduced gas.
  • Plasma generator PG transfers part of the first component into a plasma or enriches the first component with radicals and ions.
  • the plasma-enriched component / partial stream is discharged from the reactor space RR via a plasma component feed line PZ.
  • a throttle valve DV is arranged, via which the gas flow is set and
  • a second component K2 of the fuel / air mixture or a second partial flow of the fuel / air mixture is introduced via a fuel supply line BZ and a combustion chamber inlet BE in the combustion chamber BR.
  • the plasma component supply line PZ opens into the fuel supply line BZ near the combustion chamber. Also near the
  • Combustion chamber inlet BE is arranged a gas / ion sensor GIS.
  • This gas / ion sensor GIS detects within the
  • Fuel supply line BZ a value that
  • the senor can the
  • An ion sensor can be designed, for example, as a conductivity sensor. In this case, the conductivity between two spaced apart in space or at a predetermined distance arranged on a surface electrodes can be determined when the distance to be bridged is washed by the plasma-containing mixture.
  • the combustion chamber BR itself is, for example, the combustion chamber of an internal combustion engine ⁇ , for example a petrol or diesel engine.
  • the combustion chamber BR may also be associated with a boiler and be a pure heat ⁇ generator.
  • the fuel / air mixture is ignited within the combustion chamber BR. Due to the presence of ions and free radicals already present, ignition of the mixture is facilitated and combustion is more complete.
  • the mixture is compressed to ⁇ additional and ignited at the desired time, in particular at the highest degree of compression by means of an ignition source.
  • a combustion chamber BR of a thermal generator is a continuous ignition.
  • the exhaust gases resulting from the combustion of the mixture are led out of the combustion chamber BR via a combustion chamber outlet BA.
  • the device has a feedback loop FB, which connects the gas / ion sensor GIS with a control device SE.
  • the control device in turn is connected to the plasma generator PG and controls its plasma generation, for example via the power provided, in particular via a voltage.
  • a sensor arranged on or behind the combustion chamber outlet BA and a feedback loop FB can be provided.
  • the sensor is designed to detect a value that is a measure of the completeness of the combustion
  • this value can be used by the control device to control the plasma generator and thus to improve the combustion power in the combustion chamber.
  • a piezoelectric transformer (see also FIG. 5) is used as plasma generator PG.
  • This is, for example, rod-shaped and has on the primary side of a multi-layer structure in which alternate piezoelectric ceramic layers and associated electrodes.
  • the electrodes can alternately with different poles of the applied primary voltage
  • a suitable for the invention plasma generator is
  • the piezoelectric transformer is a Rosentransformator or Rosen-type transformer, is applied with alternating voltage and generates a longitudinal vibration in the rod-shaped ceramic body.
  • a longitudinal wave can then be tapped at the two ends of the rod-shaped ceramic body by means of secondary electrodes attached there become.
  • voltage transformation ratios up to a factor of 1000 can be set. This means at an input voltage of, for example 12 V, an output voltage in the range of 10 to 15 KV.
  • a plasma can be ignited or generated there by discharging.
  • the plasma itself is generated by a process similar to a dielectric barrier discharge at an exit electrode. However, no counterelectrode near the exit electrode is required.
  • the discharge electrode is preferably performed at an edge of the ceramic body to the upper ⁇ surface, where it can generate the plasma on the high-voltage discharge.
  • the feedback loop FS now serves to regulate the plasma content of the gas component K 1, which is determined shortly before the combustion chamber inlet BE, via the feedback loop and the control device SE, preferably by regulating its output, ie its plasma generation.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the invention in a schematic cross section.
  • the entire fuel / air mixture is introduced by means of a fuel supply line BZ in the reactor space RR and there via a plasma generator (in Figure 2 is not extra
  • the enriched fuel / air mixture is now fed via a combined plasma component supply / fuel supply line PZ / BZ towards the combustion chamber BR.
  • a gas / ion sensor GIS is again arranged, the plasma content, in particular the content of free Radicals and / or ions in the enriched mixture can detect.
  • the inlet to the combustion chamber BR may be a simple valve or a nozzle.
  • the power of the plasma generator is regulated by a control device SE as a function of the measured plasma concentration predetermined optimal value via a feedback loop FS not shown in this figure.
  • the predetermined optimum value may be known or made dependent on further operating parameters in the combustion chamber BR.
  • the ratio of fuel to air in the mixture is set at a stage before the reactor space RR. The plasma excitation thus takes place in the fuel / air mixture and not just in one
  • Figure 3 shows a third embodiment of the device according to Inventive ⁇ . This is similar to the device of Figure 2 constructed, differs from this, however, in that only the air component Kl is enriched with plasma and introduced via the plasma component supply line PZ in the reactor space RR.
  • enriched air component is transferred directly into the combustion chamber BR.
  • the fuel component K2 itself is separately via a fuel supply line BZ in the
  • Combustion chamber BR introduced and injected in particular. Again, there is again a gas / ion sensor GIS in the
  • Plasma component supply PZ near the inlet to the combustion chamber BR arranged and via a feedback loop with the
  • Control device not shown in the figure
  • the plasma generator also not shown
  • FIG. 4 shows, in a schematic cross-section, a reactor space, as can be used in the invention for producing a plasma-enriched fuel / air mixture.
  • the reactor space RR is provided with a reactor space inlet RE and a reactor space outlet RA, which are preferably arranged opposite one another.
  • a reactor space inlet RE and a reactor space outlet RA, which are preferably arranged opposite one another.
  • the plasma generator PG Within the reactor space RR, at least the plasma generator PG
  • the plasma generator PG which is designed as a piezoelectric transformer with a dielectric barrier discharge on the secondary side, ie at the high voltage end, develops at the end of a plasma cloud at which the discharge from the ceramic body of the transformer exits.
  • a fan L is arranged in or directly after the reactor space inlet RE, for air movement
  • the ventilation is adjusted so that the gas flowing through the reactor space RR or the component of the fuel / air mixture or the entire mixture in the region of the reactor space outlet RA is homogeneously enriched with radicals and ions, ie homogeneously with plasma fractions.
  • Figure 5 shows a schematic representation of the structure of a usable as a plasma generator PG piezoelectric transformer. It has for example the shape of a long ⁇ stretched cuboid, so a rod-shaped structure.
  • the cuboid On the primary side, the low-voltage side, shown on the left in the figure, the cuboid has a multilayer structure MA, in which electrode layers, preferably of copper, alternate with piezoelectric layers, preferably of PZT ceramic.
  • the multilayer structure MA as a whole is connected to a low-voltage source SQ P , which is the
  • the secondary side that is to say the high-voltage side of the piezoelectric transformer, extends approximately over half of the ceramic transformer body and has no inner electrode layers.
  • the secondary side comprises a single piezoelectric piezoelectric element whose Electrodes are arranged on the end faces, ie at the ends of the rod, transversely to the layer plane.
  • the secondary ⁇ voltage SV is then applied between an electrode of the primary side and a side electrode SE.
  • a secondary electrode SE is guided on the high voltage side near or to the surface of the ceramic base body, so that there discharge can take place.
  • this is the right end face or one of the edges of the right end face.
  • the electrode is led to the surface in such a way that the high voltage discharge can take place purposefully at single points, so that there the energy concentrates and the plasma generation is improved, or that the so
  • End face on the exit side may also be convex or the corners and edges may be rounded to ignite the plasma over a wider exit area.
  • the Transformer comprises an RF source whose signal is applied to the electrodes on the primary side.
  • the drive unit SP further comprises a voltage regulator, via which the power of the plasma generator PG can be adjusted.
  • the electrical control unit SP may comprise at least parts of the control device SE or these completely.
  • a first component Kl is the component flowing through the reactor space.
  • the other component is the remainder to the total fuel / air mixture, especially the fuel.
  • component may also include a fuel / air mixture. It is also possible to control the amount of free radicals and ions in the combustion chamber solely by the power of the plasma generator.
  • the plasma generator can also be equipped with a low supply voltage of, for example 12 V and low power can be used. No high voltage ⁇ lines and / or high-voltage plugs are required for the inventive device therefore.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben, mit denen die Vollständigkeit der Verbrennung in einem Brennraum (BR) eines Heizkessels oder einer Verbrennungskraftmaschine verbessert werden kann. Dazu wird vorgeschlagen, das gasförmige Brennstoff/Luft-Gemisch oder eine seiner Komponenten vor dem Einleiten in den Brennraum (BR) mittels eines Plasmagenerators (PG) mit einer geeigneten Konzentration an Radikalen und Ionen anzureichern.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur verbesserten Verbrennung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur verbesserten Verbrennung eines Brennstoff/Luft-Gemisches in einem
Brennraum und ein Verfahren zur verbesserten Verbrennung.
In Verbrennungskraftmaschinen, wie z.B. Otto- und Diesel- motoren für Kfz, wird ein Gemisch aus Kraftstoff und
Umgebungsluft in einen Brennraum eingebracht, gemischt und unter kontrollierten Bedingungen gezündet und zur Verbrennung gebracht. Diese Verbrennung erfolgt in der Regel unvoll¬ ständig und es werden nur etwa 99% aller Bestandteile des Gemisches zu Wasser und Kohlendioxid verbrannt. Der restliche Anteil setzt sich aus NOx, CO, Ruß, Teer und Kohlenwasser¬ stoffen zusammen.
Bei allen Verbrennungskraftmaschinen mit innerer Verbrennung wird nach jedem Arbeitsspiel das beteiligte Gas gewechselt, also Abgas ausgestoßen und Frischgas zugeführt. Heutige
Motoren verdichten das Gas, dann wird es bei hohem Druck verbrannt und wieder entspannt. Der maximal mögliche
Wirkungsgrad hängt von den Temperaturniveaus ab, auf dem die Verbrennungswärme zu- und abgeführt wird, und damit vom
Verdichtungsverhältnis. Eine unvollständige Verbrennung reduziert den Wirkungsgrad weiter. Dies gilt auch für andere technische Einrichtungen mit Brennräumen, z.B. für
Heizkessel .
Auf Erdöl basierende flüssige Kraft- und Brennstoffe
enthalten eine große Anzahl verschiedener Kohlenwasserstoffe (Wasserstoff und gebundene Kohlenstoffe) . Um diese Treibstoffe in Energie umzuwandeln, muss eine Verbrennung stattfinden. Das Ergebnis einer vollständigen Verbrennung ist Wasser und Kohlendioxid. Wenn die Verbrennung nicht
vollständig ist, entstehen Kohlenmonoxid, Ruß und Teer.
Kleine und leichte Kohlenwasserstoff-Moleküle wie z.B. solche in Gasen oder Rohbenzin verbrennen leicht. Große und schwere Kohlenwasserstoffe-Moleküle verbrennen dagegen nicht so einfach und benötigen eine höhere Temperatur, um eine voll- ständige Verbrennung zu erreichen. Während des Verbrennungs¬ prozesses wird die Geschwindigkeit der Verbrennung durch die Menge und die Konzentration vorhandener und durch die
Verbrennung entstehender freier Radikale beeinflusst. Diese werden u.a. durch Aufspaltung der Kohlenwasserstoff-Moleküle bei höherer Temperatur erzeugt. Durch ihre hohe Reaktivität reagieren sie sofort mit Sauerstoff. Bei dieser Oxidation wird Wärme freigesetzt, was zu einer weiteren thermischen Aufspaltung führt. Dauert die Entflammung des Kraftstoffgemisches im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine länger, verschiebt sich auch der Verbrennungsschwerpunkt. Zudem kann eine längere
Funkendauer bei höherem Energieeinsatz den Verschleiß der Zündkerze beschleunigen. Eine erhöhte Konzentration freier Radikale bewirkt einen intensiveren und schnelleren
Verbrennungsprozess .
In der DE 10331418 A9 wird vorgeschlagen, zur Verbesserung der Verbrennung anstelle einer Zündkerze ein Plasma einzu- setzen und dieses innerhalb des Brennraums zu generieren. Problematisch ist es jedoch, den Plasmagenerator in den
Brennraum zu integrieren und an die dort herrschenden
Bedingungen anzupassen. Die EP 1845251 AI offenbart einen Generator mit einem
Verbrennungsraum. Ein mit einer Hochspannungsquelle
verbundener Plasma- oder Ionengenerator erzeugt Ionen und speist sie an einer dem Brennraum vorgeschalteten Stelle in die Vorrichtung ein, um die Effizienz der Verbrennung zu verbessern .
Aus der JP S58-93952 A ist ein Verfahren zur Verbesserung der Effizienz einer Verbrennungsmaschine bekannt, bei dem die Verbrennung durch ionisierten Sauerstoff befördert wird.
Aus der US 2007/0012300 AI ist eine Verbrennungsmaschine mit verbesserter Effizienz bekannt, bei dem die Verbrennung durch Ozon befördert wird, das im Luftzustrom zum Brennraum
angereichert wird.
Aus der DE 10358294 AI ist ein Verbrennungsmotor mit einem Kraftstoffreformer bekannt, der u.a. auch als Plasma- Kraftstoffreformer ausgeführt sein kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit der eine
möglichst vollständige und homogene Verbrennung erreicht werden kann, ohne dabei die Nachteile der bekannten Lösung in Kauf nehmen zu müssen. Weitere Teilaufgaben bestehen darin, den Energiegehalt des Brennstoffs/Kraftstoffs maximal auszunutzen und schädliche Abgase möglichst zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor. Die Erfindung schlägt vor, die Verbrennung eines Brennstoff/Luft-Gemisches dadurch zu optimieren, dass dem Brennraum, in dem die Verbrennung stattfindet, zumindest ein Reaktorraum vorgeschaltet wird, in dem zumindest eine
Komponente des Brennstoff/Luft-Gemisches mittels eines
Plasmagenerators mit Radikalen und Ionen angereicht werden kann. Der Brennraum selbst kann dann wie in bekannten
Verbrennungsvorrichtungen ausgebildet sein. Als
Plasmagenerator wird ein mit Niederspannung betreibbarer piezoelektrischer Transformator eingesetzt.
Weiter umfasst die Vorrichtung eine Steuerungseinrichtung, über die die Anreicherung der Komponente des Brennstoff/Luft- Gemisches geregelt werden kann.
Die Erfinder haben erkannt, dass die richtige Konzentration von freien Radikalen und Ionen bereits in einer frühen Stufe des Verbrennungsprozesses wichtig ist für die Vollständigkeit der Verbrennung. Mit dem erfindungsgemäß im Reaktorraum vorgesehenen Plasmagenerator kann die Anzahl freier Radikaler und Ionen bereits vor Beginn der Verbrennung im Brennstoff/ Luft-Gemisch erhöht werden. Dann kann die Verbrennung
schneller anspringen, wenn das Brennstoff/Luft-Gemisch gezündet wird, und dann auch früher enden. Im Ergebnis läuft sie zudem vollständiger ab. Dies ist insbesondere in
Verbrennungskraftmaschinen von Vorteil, in denen die Zündung des Brennstoff/Luft-Gemisches zu einem durch den Arbeitstakt des Verbrennungsmotors vorgegebenen Zeitpunkt stattfindet, für den zudem ein nur enges Zeitfenster zur Verfügung steht. Die Erfindung erleichtert es, die Verbrennung innerhalb dieses Zeitfensters vollständig durchzuführen. In der Folge kann ein größerer Teil des Brennstoffes oder Kraftstoffes als Energie genutzt und umgesetzt werden als bisher. Der als Plasmagenerator verwendete mit Niederspannung
betreibbare piezoelektrische Transformator kann in kompakter Bauweise hergestellt werden und mit den beispielsweise in Kraftfahrzeugen üblichen niedrigen Betriebsspannungen von beispielsweise 12, 24 oder 48 V auf der Eingangsseite
betrieben werden.
Mit einem solchen Plasmagenerator kann außerdem ein kaltes Plasma mit einer Temperatur von weniger als 50 °C erzeugt werden, welches die Vorrichtung und die dafür verwendeten
Materialien nicht zu stark belastet und daher auch keine zu hohen Anforderungen an die Materialien des Reaktorraums stellt. Für die Ausbildung des Reaktorraums und des
Gaseinlasses in den Verbrennraum können daher weitgehend die herkömmlichen Materialien verwendet werden.
Vorteilhaft ist es jedoch, den Reaktorraum und die Verbindung zwischen Reaktorraum und Brennraum mit glatten und insbesondere inerten Oberflächen zu versehen, beziehungsweise mit einer inerten und glatten Beschichtung auszustatten. Inert bedeutet dabei, dass die Oberfläche keine ionischen oder radikalischen Reaktionen mit dem Plasma eingeht, wodurch die Konzentration an Radikalen und Ionen in der angereicherten Gasmenge reduziert werden könnte.
Weiterhin ist es vorteilhaft, den Reaktorraum räumlich möglichst nahe am Brennraum anzuordnen und die Verbindungen und Zuführungen dazwischen möglichst kurz auszuführen, um die Aufenthaltsdauer der mit Radikalen und Ionen angereichten gasförmigen Komponente darin zu minimieren. Auf diese Weise wird vermieden, dass die Konzentration an Radikalen und
Ionen, die eine nur kurze Halbwertszeit besitzen, während des Transports zum Brennraum zu stark abnimmt. Unter „gasförmig" werden im Sinne der Erfindung hier und im Folgenden auch sich wie Gase verhaltende Gemische wie z.B. auch fein verteilte Flüssigkeiten (Nebel) verstanden. Piezoelektrische Transformatoren (PT) erzeugen hohe
elektrische Felder über den piezoelektrischen Effekt. Diese Felder sind in der Lage Gase und Flüssigkeiten durch
elektrische Anregung zu ionisieren. An der Sekundärseite des PT erzeugt das elektrische Wechselfeld eine starke
Polarisation, Anregung und Ionisation von Atomen und
Molekülen. Diese Prozess erzeugt ein piezoelektrisch
gezündetes Mikroplasma, PDP ( Piezoelectric Discharge Plasma) . PDPs haben Eigenschaften, die den typischen dielektrischen Barriereentladungen (DBD) entsprechen. PDPs können in einem weiten Druckbereich von 0,01 mbar und 2000 mbar gezündet werden, was insbesondere unterschiedlichen Anforderungen für die Verbrennung gerecht wird.
Bei piezoelektrischen Transformatoren wird die primärseitig zugeführte Wechselspannung über die auf einen piezo¬ elektrischen Kristall aufgedampften oder - in keramischer Ausführung - in den Keramikaufbau des Transformators
eingebrannten Elektroden zunächst in eine mechanische
Schwingung innerhalb des piezoelektrischen Körpers
umgewandelt. Die Frequenz der mechanischen Schwingung ist dabei wesentlich von der Geometrie und dem mechanischen
Aufbau abhängig.
Dadurch bildet sich innerhalb des Transformators PT eine mechanische Welle aus, welche durch den piezoelektrischen Effekt auf der sekundärseitigen Elektrode eine Ausgangs¬ spannung erzeugt. Die Höhe der sekundärseitigen Ausgangsspannung ist dabei unter anderem von der Geometrie des Kristallplättchens bzw. des Keramikkörpers und der Position der Elektroden abhängig.
Zur Erzeugung von PDP ( Piezoelectric Discharge Plasma) sind Piezoelektrische Transformatoren vom Typ Rosen (Rosen type PT) besonders geeignet, da dieser Typ hohe Leistungsdichten und sehr hohe Übersetzungsverhältnisse liefern. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines keramischen
Vielschichtaufbaus mit innen liegenden Elektroden auf der Primärseite, da so besonders geringe Primärspannungen zum Zünden des Plasmas verwendet werden können. In der Praxis können so Transformationsverhältnisse von mehr als 1000 erreicht werden. Die piezoelektrischen Transformatoren werden erfindungsgemäß vorteilhaft bei ihren Resonanzfrequenzen betrieben.
Frequenzen zwischen 10 kHz bis 500 kHz sind für das Zünden von PDP optimal. Wird der Leistungstreiber optimal an die Resonanz und an die Impedanz des PT angepasst, erfolgt die Konversion der mechanischen Schwingung in den Entladungsprozess mit hohem Wirkungsgrad. Das Betriebsverhalten des Systems unter Plasma erzeugenden Bedingungen unterscheidet sich stark vom
elektrischen Kleinsignalverhalten des Systems. An der
Schwelle, an der die Entladung zündet, steigt die Dämpfung des PT, die eingekoppelte Leistung steigt und die
Resonanzfrequenz verschiebt sich. Um die PDP zu stabilisieren kann z.B. die Frequenz nachgeregelt werden (Frequenz
Tracking) .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Brennraum der Vorrichtung einen Gasauslass auf, an dem oder hinter dem (in Gasflussrichtung gesehen) ein Sensor angeordnet ist, der über eine Feedbackschleife mit der Steuerungseinrichtung verbunden ist. Der Sensor ist zur Erfassung eines Wertes ausgelegt, der ein Maß für die Vollständigkeit der Verbrennung darstellt.
Ein solcher Sensor ist beispielsweise dazu ausgelegt, die Konzentration unverbrannter Kohlenwasserstoffe zu bestimmen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Sensor wie eine Lambdasonde auszubilden und die Konzentration des Sauerstoffs in dem aus dem Brennraum abgeleiteten Abgas zu bestimmen.
Beides ist ein Maß für die Vollständigkeit der Verbrennung im Brennraum.
Die Steuerungseinrichtung kann nun dazu eingerichtet sein, in Abhängigkeit von dem vom Sensor bestimmten Wert über die
Feedbackschleife den Plasmagenerator so zu regeln, dass die Konzentration an Radikalen und Ionen optimal eingestellt wird . In einer Ausführungsform wird der Plasmagenerator durch eine entsprechende eingekoppelte Primärleistung geregelt. Dies kann beispielsweise über die angelegte Betriebsspannung den dadurch induzierten Betriebsstrom erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung einen Sensor zur Erfassung der Konzentration an Radikalen und Ionen in der oder den gasförmigen Komponenten vor dem Einlass in den
Brennraum umfassen, beispielsweise einen Gas/Ionen-Sensor. Dieser Sensor kann vor dem Gaseinlass in den Brennraum angeordnet und ebenfalls mit der Steuerungseinrichtung verbunden werden. Diese Ausführung mit lediglich einem solchen Sensor setzt allerdings voraus, dass eine für die jeweiligen Verbrennungs¬ bedingungen erforderliche optimale Konzentration an Radikalen und Ionen bekannt ist. Ein solcher Sensor kann dann sinnvoll sein, wenn die in den Brennraum einzubringende Menge an
Luft/Brennstoff-Gemisch schnell und stark variiert. Mit einem solchen Sensor kann die dadurch variierende Strömungs¬ geschwindigkeit des Brennstoff/Luft-Gemisches kompensiert werden. Bei langsamerer Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich eine längere Aufenthaltsdauer im System und damit ein
erhöhter Zerfall von Radikalen und Ionen vor dem Beginn der eigentlichen Verbrennung, der mit dieser Regelung ausgeglichen werden kann. Erfindungsgemäß wird im Reaktorraum nur ein Teil des
Brennstoff/Luft-Gemisches mit Radikalen und Ionen ange¬ reichert. Dieser Teil kann in einem Volumenanteil bestehen. Möglich ist es jedoch auch, nur eine Komponente des Brennstoff/Luft-Gemisches mit Radikalen und Ionen anzureichern.
Insbesondere im erstgenannten Fall kann die Konzentration an Radikalen und Ionen im Brennraum auf diese Weise durch das Mischungsverhältnis eines ersten und zweiten Teilstroms des Brennstoff/Luft-Gemisches gestellt und geregelt werden. Der zweite Teilstrom wird dann nicht über den Reaktorraum geführt und ist daher frei von Plasmaanteilen, also frei von
Radikalen und Ionen.
Somit ist es auch bei unveränderter Plasmageneratorleistung möglich, die Konzentration an Radikalen und Ionen im Brennstoff/Luft-Gemisch innerhalb des Brennraums einzustellen. Im Folgenden werden die Vorrichtung und das darin durchgeführte Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen allein der Veranschaulichung und dem besseren Verständnis der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Den Figuren können daher weder absolute noch relative Maßangaben entnommen werden.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der zwei
Teilströme des Brennstoff/Luft-Gemisches in den Brennraum geführt werden,
Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung, bei der das gesamte Brennstoff/Luft-Gemisch durch den Reaktor mit dem Plasmagenerator geleitet wird,
Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der Luftanteil des Brennstoff/Luft-Gemisches über den Reaktorraum in den Verbrennungsraum eingeführt wird, während der Brennstoff direkt in den Verbrennungsraum eingeführt und insbesondere eingespritzt wird, Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des
Reaktorraums ,
Figur 5 zeigt schematisch einen für die Erfindung
verwendbaren piezoelektrischen Transformator.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung. Diese besteht aus dem Brennraum BR und einem diesem vorgeschalteten Reaktorraum RR. Über einen Reaktorraumeinlass RE wird eine erste Komponente oder ein erster Teilstrom Kl des Brennstoff/Luft-Gemischs in den
Reaktorraum RR eingeführt. Dort ist ein Plasmagenerator PG angeordnet, der gegebenenfalls durch besondere Zusatz- maßnahmen von dem eingebrachten Gas umspült wird. Der
Plasmagenerator PG überführt einen Teil der ersten Komponente in ein Plasma beziehungsweise reichert die erste Komponente mit Radikalen und Ionen an. Aus dem Reaktorraum RR wird die mit Plasma angereicherte Komponente/ der Teilstrom über eine Plasmakomponentenzuleitung PZ aus dem Reaktorraum RR ausgeleitet. In der Plasmakomponentenzuleitung PZ ist ein Drosselventil DV angeordnet, über welches der Gasfluss eingestellt und
insbesondere reduzieren werden kann.
Eine zweite Komponente K2 des Brennstoff/Luft-Gemisches beziehungsweise ein zweiter Teilstrom des Brennstoff/Luft- Gemisches wird über eine BrennstoffZuführungsleitung BZ und einen Brennraumeinlass BE in den Brennraum BR eingeführt. Die Plasmakomponentenzuleitung PZ mündet nahe dem Brennraum in die BrennstoffZuführungsleitung BZ. Ebenfalls nahe dem
Brennraumeinlass BE ist ein Gas/Ionensensor GIS angeordnet. Dieser Gas/Ionensensor GIS detektiert innerhalb der
BrennstoffZuführungsleitung BZ einen Wert, der
stellvertretend für den Plasmaanteil des Brennstoff/Luft- Gemisches ist. Beispielsweise kann der Sensor den
Ionisierungsgrad des Gemisches bestimmen. Möglich ist es auch, den Ozongehalt des Gemisches zu bestimmen, welcher ebenfalls einen typischen Wert für das Plasmagehalt des Gemisches darstellt. Ein Ionensensor kann beispielsweise als Leitfähigkeitssensor ausgeführt sein. Dabei kann die Leitfähigkeit zwischen zwei im freien Abstand voneinander im Raum oder im vorgegebenen Abstand auf einer Oberfläche angeordneten Elektroden bestimmt werden, wenn die zu überbrückende Strecke vom plasmahaltigen Gemisch umspült wird.
Der Brennraum BR selbst ist beispielsweise der Verbrennungs¬ raum einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise eines Otto- oder Dieselmotors. Der Brennraum BR kann aber auch einem Heizkessel zugeordnet sein und ein reiner Wärme¬ generator sein. Auf jeden Fall wird innerhalb des Brennraums BR das Brennstoff/Luft-Gemisch gezündet. Aufgrund des bereits anfänglich vorhandenen Anteils an Ionen und freien Radikalen ist die Zündung des Gemisches erleichtert und die Verbrennung läuft vollständiger ab.
In einer Verbrennungskraftmaschine wird das Gemisch zu¬ sätzlich verdichtet und am gewünschten Zeitpunkt, insbe- sondere am Grad höchster Verdichtung mittels einer Zündquelle gezündet. In einem Brennraum BR eines thermischen Generators erfolgt eine kontinuierliche Zündung.
Die aus der Verbrennung des Gemisches resultierenden Abgase werden über einen Brennraumauslass BA aus dem Brennraum BR herausgeführt. Bei einer Verbrennungskraftmaschine erfolgt dies im Takt des Motors, bei einem thermischen Generator dagegen üblicherweise kontinuierlich. Weiter verfügt die Vorrichtung über eine Feedbackschleife FB, die den Gas/Ionensensor GIS mit einer Steuerungseinrichtung SE verbindet. Die Steuerungseinrichtung wiederum ist mit dem Plasmagenerator PG verbunden und regelt dessen Plasma- erzeugung, beispielsweise über die zur Verfügung gestellte Leistung, insbesondere über eine Spannung.
Es kann weiter ein am oder hinter dem Brennraumauslass BA angeordneter Sensor und eine Feedbackschleife FB vorgesehen sein. Der Sensor ist dazu ausgelegt, einen Wert zu erfassen, der ein Maß für die Vollständigkeit der Verbrennung
darstellt. Über die Feedbackschleife kann dieser Wert von der Steuerungseinrichtung zur Regelung des Plasmagenerators und damit zur Verbesserung der Verbrennungsleistung im Brennraum genutzt werden.
In einer vorteilhaften Ausführung wird als Plasmagenerator PG ein piezoelektrischer Transformator (siehe auch Figur 5) verwendet. Dieser ist beispielsweise stabförmig ausgebildet und weist an der Primärseite einen Mehrschichtaufbau auf, in dem sich piezoelektrische Keramikschichten und dazugehörige Elektroden abwechseln. Die Elektroden können alternierend mit unterschiedlichen Polen der angelegten Primärspannung
beaufschlagt werden.
Ein für die Erfindung geeigneter Plasmagenerator wird
beispielsweise von der Firma EPCOS unter dem Namen CeraPLAS™ vertrieben. Er basiert auf einem stabförmigem PZT-Keramik- körper (PZT = Bleizirkonattitanat ) mit Mehrschichtaufbau und weist kupferhaltige Elektroden auf.
Der piezoelektrische Transformator ist ein Rosentransformator oder Rosen-typ Transformator, wird mit Wechselspannung beaufschlagt und erzeugt eine longitudinale Schwingung in dem stabförmigen Keramikkörper. Eine longitudinale Welle kann dann an den beiden Enden des stabförmigen Keramikkörpers mittels dort angebrachter Sekundärelektroden abgegriffen werden. Auf der Sekundärseite lassen sich so Spannungs- transformationsverhältnisse bis zum Faktor 1000 einstellen. Dies bedeutet bei einer Eingangsspannung von beispielsweise 12 V eine Ausgangsspannung im Bereich von 10 bis 15 KV. Durch geeignete Elektrodengestaltung am Stabende der Sekundärseite kann dort durch Entladung ein Plasma gezündet bzw. erzeugt werden .
Das Plasma selbst wird durch einen Prozess ähnlich einer dielektrischen Barrierenentladung an einer Austrittselektrode erzeugt. Es ist jedoch keine Gegenelektrode in der Nähe der Austrittselektrode erforderlich. Die Austrittselektrode ist vorzugsweise an einer Kante des Keramikkörpers an die Ober¬ fläche geführt und kann dort über die Hochspannungsentladung das Plasma erzeugen.
Die Feedbackschleife FS dient nun dazu, den kurz vor dem Brennraumeinlass BE bestimmten Plasmagehalt der Gaskomponente Kl über die Feedbackschleife und die Steuerungseinrichtung SE zu regeln, vorzugsweise indem dessen Leistung, sprich dessen Plasmaerzeugung geregelt wird.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung im schematischen Querschnitt. In dieser Ausführung wird das gesamte Brennstoff/Luft-Gemisch mittels einer Brennstoffzuleitung BZ in den Reaktorraum RR eingeführt und dort über einen Plasmagenerator (in der Figur 2 nicht extra
dargestellt) mit freien Radikalen und Ionen angereichert. Das angereicherte Brennstoff/Luft-Gemisch wird nun über eine kombinierte Plasmakomponentenzuleitung / Brennstoffzuführungsleitung PZ/BZ hin zum Brennraum BR geführt. Nahe des Brennraums ist wieder ein Gas/Ionensensor GIS angeordnet, der den Plasmagehalt, insbesondere den Gehalt an freien Radikalen und/oder Ionen in dem angereicherten Gemisch detektieren kann.
Der Einlass zum Brennraum BR kann ein einfaches Ventil oder eine Düse sein. Über eine in dieser Figur nicht dargestellte Feedbackschleife FS wird die Leistung des Plasmagenerators über eine Steuerungseinrichtung SE in Abhängigkeit von der gemessenen Plasmakonzentration vorgegebenen optimalen Wert geregelt .
Der vorgegebene optimale Wert kann bekannt sein, oder von weiteren Betriebsparametern im Brennraums BR abhängig gemacht werden oder sein. Bei einer Verbrennungskraftmaschine
beispielsweise von der abgerufenen Leistung oder von der Menge der pro Zeiteinheit in den Brennraum BR eingeführten Brennstoff/Luft-Mischung . In dieser Ausführung wird das Verhältnis Brennstoff zu Luft im Gemisch auf einer Stufe vor dem Reaktorraum RR eingestellt. Die Plasmaanregung erfolgt also im Brennstoff/Luft-Gemisch und nicht nur in einer
Komponente davon, wie bei der Vorrichtung nach Figur 1.
Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung. Diese ist ähnlich wie die Vorrichtung nach Figur 2 aufgebaut, unterscheidet sich von dieser jedoch darin, dass ausschließlich die Luftkomponente Kl mit Plasma angereichert und über die Plasmakomponentenzuleitung PZ in den Reaktorraum RR eingeführt wird. Die mit Plasma
angereicherte Luftkomponente wird direkt in den Brennraum BR übergeleitet. Die Brennstoff-Komponente K2 selbst wird separat über eine BrennstoffZuführungsleitung BZ in den
Brennraum BR eingeleitet und insbesondere eingespritzt. Auch hier ist wieder ein Gas/Ionensensor GIS in der
Plasmakomponentenzuleitung PZ nahe dem Einlass zum Brennraum BR angeordnet und über eine Feedbackschleife mit der
Steuerungseinrichtung (in der Figur nicht dargestellt) und dem Plasmagenerator (ebenfalls nicht dargestellt) verbunden. Diese Ausführungsform erlaubt es, über den Anteil der in dem Brennraum BR eingeführten mit Plasma angereicherten Luft die dort herrschende Konzentration an Ionen und Radikalen
einzustellen. Möglich ist es jedoch auch, ein konstantes Verhältnis an angereicherter Luft zu eingespritztem
Brennstoff einzustellen beziehungsweise dieses Verhältnis vom Betriebszustand des Brennraums, mithin von der Leistung der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise des thermischen Generators abhängig zu gestalten. Figur 4 zeigt im schematischen Querschnitt einen Reaktorraum, wie er bei der Erfindung zur Erzeugung eines mit Plasma angereicherten Brennstoff/Luft-Gemisches eingesetzt werden kann.
Der Reaktorraum RR ist mit einem Reaktorraumeinlass RE und einem Reaktorraumauslass RA versehen, die vorzugsweise einander gegenüberliegend angeordnet sind. Innerhalb des Reaktorraums RR ist zumindest der Plasmagenerator PG
angeordnet, vorzugsweise - wie in der Figur dargestellt - auch eine dazugehörige elektrische Ansteuereinheit SP.
Aufgrund der Bauweise des Plasmagenerators PG, der als piezoelektrischer Transformator mit einer dielektrischen Barrierenentladung an der Sekundärseite, also am Hochspannungsende ausgebildet ist, entwickelt sich an dem Ende eine Plasmawolke, an dem die Entladung aus dem Keramikkörper des Transformators austritt. Vorzugsweise ist im oder direkt nach dem Reaktorraumeinlass RE ein Lüfter L angeordnet, der für eine Luftbewegung
innerhalb des Reaktorraums RR sorgt, sodass der erzeugte Luftstrom den Plasmagenerator PG umspülen kann. Ist zu- sätzlich noch der Reaktorraumauslass RA geöffnet, so ergibt sich eine Luftströmung, die die Plasmawolke P in Richtung Reaktorraumauslass RA treibt, sodass sich an jedem Ent¬ ladungspunkt eine im Wesentlichen wie dargestellt kegel¬ förmige Plasmawolke P entwickelt. Die Lüftung wird dabei so eingestellt, dass das den Reaktorraum RR durchströmende Gas beziehungsweise die Komponente des Brennstoff/Luft-Gemisches oder das gesamte Gemisch im Bereich des Reaktorraumauslasses RA homogen mit Radikalen und Ionen, also homogen mit Plasmaanteilen angereichert wird.
Figur 5 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau eines als Plasmagenerator PG einsetzbaren piezoelektrischen Transformators. Er weist beispielsweise die Form eines lang¬ gestreckten Quaders, also einen stabförmigen Aufbau auf. Auf der in der Figur links dargestellten Primärseite, der Niederspannungsseite, weist der Quader einen Mehrschichtaufbau MA auf, in dem sich Elektrodenschichten, vorzugsweise aus Kupfer mit piezoelektrischen Schichten, vorzugsweise aus PZT- Keramik, abwechseln. Der Mehrschichtaufbau MA insgesamt ist mit einer Niederspannungsquelle SQP verbunden, die die
Elektrodenschichten alternierend mit einer AC Niederspannung verbinden .
Die Sekundärseite, also die Hochspannungsseite des piezo- elektrischen Transformators, erstreckt sich ungefähr über die Hälfte des keramischen Transformatorkörpers und weist keine inneren Elektrodenschichten auf. Die Sekundärseite umfasst ein einziges piezoelektrisches Piezoelement , dessen Elektroden an den Stirnseiten, also an den Enden des Stabes, quer zu der Schichtebene angeordnet sind. Die Sekundär¬ spannung SV liegt dann zwischen einer Elektrode der Primärseite und einer Stirnflächenelektrode SE an.
Eine Sekundärelektrode SE ist an der Hochspannungsseite nahe der oder bis zur Oberfläche des keramischen Grundkörpers geführt, sodass dort eine Entladung stattfinden kann. In Figur 5 ist dies die rechte Stirnfläche beziehungsweise eine der Kanten der rechten Stirnfläche. Die Elektrode ist so an die Oberfläche geführt, dass die Hochspannungsentladung gezielt an einzelnen Punkten stattfinden kann, sodass sich dort deren Energie konzentriert und die Plasmaerzeugung verbessert ist, beziehungsweise dass sich so die
Plasmaausbeute maximieren lässt. Alternativ kann die
Stirnfläche an der Austrittsseite auch konvex ausgebildet sein oder die Ecken und Kanten abgerundet sein, um das Plasma über einer breiteren Austrittsfläche zu zünden. Die elektrische Ansteuereinheit SP des piezoelektrischen
Transformators umfasst eine HF-Quelle, deren Signal auf der Primärseite an den Elektroden anliegt. Die Ansteuereinheit SP umfasst weiter einen Spannungsregler, über den die Leistung des Plasmagenerators PG eingestellt werden kann. Weiterhin kann die elektrische Ansteuereinheit SP zumindest Teile der Steuerungseinrichtung SE oder diese vollständig umfassen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelingt die Erzeugung freier Radikaler und Ionen in einem Reaktorraum getrennt vom Verbrennungsraum durch Ionisierung zumindest einer Komponente des Brennstoff/Luft-Gemisches an Ecken und Kanten oder an der Stirnfläche der Hochspannungsseite des piezoelektrischen Transformators. Mit der Vorrichtung gelingt es, eine kontrollierte Menge an freien Radikalen in dem
Verbrennungsraum einzubringen.
Eine Einstellung der Menge an freien Radikalen und Ionen gelingt durch geregeltes Mischen. Eine erste Komponente Kl ist dabei die den Reaktorraum durchströmende Komponente. Die andere Komponente ist der zum Gesamtbrennstoff/Luft-Gemisch fehlende Rest, insbesondere der Brennstoff. Die andere
Komponente kann jedoch auch eine Brennstoff/Luft-Mischung umfassen. Möglich ist es auch, die Kontrolle der Menge an freien Radikalen und Ionen im Verbrennungsraum allein durch die Leistung des Plasmagenerators zu kontrollieren.
Dadurch, dass der Reaktorraum RR vom Brennraum BR getrennt ist, ist es überhaupt erst möglich, einen piezoelektrischen Transformator zum Erzeugen der Hochspannung für den Plasmagenerator einzusetzen. Ventile, Drosseln und Öffnungen für die geregelte Zufuhr von Gaskomponenten oder Brennstoff/Luft- Gemischkomponenten sind an den Zuführungsleitungen für die Komponenten und/oder am Reaktorraumeinlass RE vorgesehen.
Mit dem optionalen Lüfter, der vorzugsweise am Eingang des Reaktorraums vorgesehen ist, gelingt eine gute Durchmischung der den Reaktorraum durchströmenden Gemischkomponente. Das Vorsehen des Plasmagenerators im Reaktorraum ist
kostengünstiger und mit geringerem technischem Aufwand zu gestalten als die erst im Stand der Technik bekannte
Anordnung eines Plasmagenerators im Brennraum. Erfindungsgemäß ist für den Plasmagenerator und den Reaktorraum keine hochtemperaturbeständige Lösung erforderlich, da hohe Temperaturen ausschließlich im Verbrennungsraum
auftreten können. Der Plasmagenerator kann außerdem mit einer geringen Versorgungsspannung von beispielsweise 12 V und einer geringen Leistung verwendet werden. Es sind für die erfindungsgemäße Vorrichtung daher keine Hochspannungs¬ leitungen und/oder Hochspannungsstecker erforderlich.
Je nach Ausführung sind verschiedene Möglichkeiten angegeben, die benötigte Menge an freien Radikalen in einfacher Weise zu regeln . Die Erfindung wurde nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt, ist aber nicht auf diese beschränkt. Insbe¬ sondere geben die in den Figuren dargestellten Ausführungen keine Vorschrift zur genauen Ausgestaltung der Vorrichtung an. Die Ausgestaltung der Vorrichtung und die Durchführung des Verfahrens sind ausschließlich durch die Ansprüche definiert und in deren Rahmen abwandelbar. Als erfindungs¬ gemäß werden auch Kombinationen und Unterkombinationen von Merkmalen angesehen, sofern diese neu sind, selbst wenn sie nicht in der durch die Ansprüche gegebenen Kombination vorliegen.

Claims

Vorrichtung zur Verbrennung eines Brennstoff/Luft- Gemisches
- mit einem Brennraum (BR) , der zumindest einen
Brennraumeinlass (BE) zur Zuführung von Brennstoff oder Luft oder des Brennstoff/Luft-Gemisches
aufweist,
- mit einem Reaktorraum (RR) , der dem Brennraum (BR) vorgeschaltet ist und einen Plasmagenerator (PG) aufweist, wobei der Plasmagenerator (PG) ein mit Niederspannung betreibbarer piezoelektrischer
Transformator ist
-mit einer Steuerungseinrichtung (SE) für den
Plasmagenerator (PG) ,
- wobei die Vorrichtung so ausgelegt ist, dass bereits vor dem Beginn des eigentlichen
Verbrennungsprozesses zumindest eine der gasförmigen Komponenten im Reaktorraum (RR) mittels des
Plasmagenerators (PG) mit Radikalen und Ionen angereichert und anschließend über den
Brennraumeinlass (BE) zu eigentlichen Verbrennung in den Brennraum (BR) geleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1
bei der der Brennraum (BR) Teil einer Verbrennungskraftmaschine ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
- bei der der Brennraum (BR) einen Brennraumauslass (BA) umfasst -bei der die Steuerungseinrichtung (SE) einen am oder hinter dem Brennraumauslass (BA) angeordneten Sensor und eine Feedbackschleife (FB) umfasst,
- bei der der Sensor ausgelegt ist, einen Wert zu erfassen, der ein Maß für die Vollständigkeit der Verbrennung darstellt,
-bei der die Steuerungseinrichtung (SE) dazu
eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem vom Sensor bestimmten Wert mittels der Feedbackschleife (FB) die Leistung des Plasmagenerators (PG) zu regeln, um die Verbrennung zu optimieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Gas/Ionen-Sensor (GIS) zur Erfassung der Konzentration an Radikalen und Ionen in der oder in den gasförmigen Komponenten, wobei der Gas/Ionen- Sensor (GIS) vor dem Brennraumeinlass (BE) angeordnet und mit der Steuerungseinrichtung (SE) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Reaktorraum (RR) und der Brennraumeinlass (BE) mit einer inerten und glatten Oberfläche
ausgestattet sind oder einen Überzug aus einem inerten und glatten Material aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
aufweisend einen Lüfter (L) nahe dem
Reaktorraumeinlass (RE) , der zur Durchmischung der Gaskomponente im Reaktorraum (RR) ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, -bei der ein erster (Kl) und ein zweiter Teilstrom (K2) zur Erzeugung des Brennstoff/Luft-Gemisches erzeugt und in den Brennraum (BR) eingeleitet werden
-bei der mit dem Plasmagenerator (PG) nur im ersten Teilstrom (Kl) des Brennstoff/Luft-Gemisches im Reaktorraum (RR) Radikale und Ionen erzeugt werden
-bei dem der erste Teilstrom (Kl) durch den
Reaktorraum (RR) , der zweite Teilstrom dagegen nicht durch den Reaktorraum (RR) geführt wird
-bei dem die Steuerungseinrichtung (SE) die
Konzentration der Radikale im gesamten
Brennstoff/Luft-Gemisch, das über den
Brennraumeinlass (BE) in den Brennraum (BR)
eingeleitet wird, mittels Variation der
Zusammensetzung Brennstoff/Luft-Gemisches aus erstem und zweitem Teilstrom regelt.
Verfahren zur Verbesserung der Verbrennung eines Brennstoff/Luft-Gemisches im Brennraum (BR) einer Verbrennungskraftmaschine oder eines Heizkessels, bei dem das Brennstoff/Luft-Gemisch oder eine seiner Komponenten vor dem Einleiten in den Brennraum (BR) mittels eines Plasmagenerators (PG) , der als ein mit Niederspannung betreibbarer piezoelektrischer
Transformator ausgebildet ist, mit Radikalen und Ionen angereichert wird,
bei dem mittels einer Steuerungseinrichtung (SE) und eines Sensors die Vollständigkeit der Verbrennung im Brennraum (BR) bestimmt wird und bei dem in
Abhängigkeit von dem vom Sensor erfassten Wert die Konzentration der Radikale und Ionen angepasst wird, um die Vollständigkeit der Verbrennung zu verbessern. Verfahren nach Anspruch 8,
bei dem zur Anpassung der Konzentration der Radikale und Ionen die Leistung des Plasmagenerators (PG) variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
- bei dem die gesamte in den Brennraum (BR)
eingeleitete Menge an gasförmigen Komponenten aus zwei Teilströmen (K1,K2) zusammengesetzt wird,
-bei dem mit dem Plasmagenerator (PG) nur in einem ersten Teilstrom (Kl) des Brennstoff/Luft-Gemisches im Reaktorraum (RR) Radikale und Ionen erzeugt werden
- bei dem zur Anpassung der Konzentration der Radikale und Ionen der entsprechende Anteil des ersten
Teilstroms (Kl) an der Gesamtmenge des
Brennstoff/Luft-Gemisches eingestellt und geregelt wird .
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