VERFAHREN ZUM ZÜNDEN DER VERBRENNUNG EINES KRAFTSTOFFES IN EINEM VERBRENNUNGSRAUM EINES MOTORS, ZUGEHÖRIGE VORRICHTUNG UND MOTOR

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zünden der Verbrennung eines Kraftstoffes in einem Verbrennungsraum eines Motors sowie eine zugehörige Zündvorrichtung und einen zugehörigen Motor.

[0002] Weil der Zündvorgang einen maßgeblichen Einfluss auf die Effizienz von Verbrennungsmotoren hat, insbesondere bei vorgegebener Motorleistung den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission maßgeblich mitbestimmt, wurden bereits in der Vergangenheit umfangreiche Anstrengungen zur Optimierung des Zündvorgangs vorgenommen.
Die heute gebräuchlichsten Zündvorrichtungen verwenden Zündkerzen, die das Kraftstoff-Luft-Gemisch zünden. Diese Zündkerzen können eine oder mehrere Elektroden aufweisen. Jede dieser Elektroden erzeugt einen Zündfunken, der das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der unmittelbaren Umgebung der Elektrode zündet. Die Verbrennung beginnt dementsprechend zuerst in einem sehr kleinen Startvolumen um die Elektroden der Zündkerzen herum. Im Anschluss daran breitet sich die Verbrennung mit einer allerdings begrenzten Geschwindigkeit aus.

[0003] In der DE 195 27 873 A1 und der US 5,136,994 ist eine Glühkerze beschrieben, die zur Herabsetzung des für die Zündung erforderlichen Energieaufwandes eine katalytische Oberflächenbeschichtung des Glühteiles aufweist. Nachteilig ist daran, dass zum einen die Herstellkosten aufgrund der erforderlichen Katalysatorwerkstoffe erhöht sind und zum anderen der Verbrennungsvorgang nur unwesentlich optimiert ist.
Die US 4,774,914 und US 6,595,194 beschreiben eine Zündvorrichtung, die einen besonders großen Zündfunken generieren soll.

[0004] Die US 4,113,315 beschreibt ein Zweikammer-Zündverfahren, bei dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch eine Zündquelle in einem ersten, kleinen Zündraum gezündet wird und durch die eintretende Flammenausbreitung anschließend das Kraftstoff-Luft-Gemisch im größeren zweiten Raum, dem eigentlichen Zylinder, entzündet. Die US 4,499,872 zeigt eine Weiterentwicklung dieses Zweikammer-Zündverfahrens, bei der ein Gemisch aus ionisiertem Wasser und Kraftstoff mit Hilfe von magnetischen Feldern und mehreren Zündstangen gezündet wird. Den Zweikammer-Zündverfahren ist gemeinsam, dass sie einen hohen konstruktiven und damit Herstellungsaufwand erfordern.

[0005] Aus der US 5,673,554 und der US 5,689,949 sind Zündverfahren bekannt, bei denen Mikrowellenenergie dazu verwendet wird, im Verbrennungsraum ein Plasma zu erzeugen, welches das Kraftstoff-Luft-Gemisch zündet. Die Entstehung des Plasmas ist dabei wesentlich von der Einhaltung enger Randbedingungen hinsichtlich der Ausbildung eines Resonanzmodes abhängig, was insbesondere im Hinblick auf den sich Auf und Ab bewegenden Kolben des Motors zu erheblichen konstruktiven Aufwendungen führt. Darüber hinaus begrenzt der Mikrowellensender den Weg der Kolbenbewegung im Motor. Entsprechendes gilt auch für die US 5,845,480.

[0006] Die US 5,983,871 beschreibt eine Kombination der Einkopplung von Mikrowellen- und Laserenergie für die Erzeugung des Plasmas. Dadurch wird die Komplexität der Zündvorrichtung und des Zündverfahrens sowie des zugehörigen Motors weiter erhöht. Entsprechendes gilt für die US 6,581,581, welche eine Kombination der Zündung durch Mikrowellenplasma und einer magnetischen Ionisierung des atomisierten Kraftstoff-Luft-Gemisches beschreibt.

[0007] Die JP 55007972 A offenbart eine Zündvorrichtung, bei welcher Mikrowellen in einen Verbrennungsraum eingeleitet werden, um dort stehende Wellen zu erzeugen. In dem Zylinderkopf sind Vorsprünge ("bosses") angeordnet. Nähert sich der Kolben dem oberen Totpunkt, kommt es zu einem Funkenüberschlag, der die Verbrennung zündet. Durch die mehreren Vorsprünge bilden sich entsprechend mehrere Zündorte ("spots") aus.

[0008] Die DE 199 14 941 C1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur mikrowellengestützten Gemischverbrennung im Brennraum einer Brennkraftmaschine mit Kompressionszündung, bei denen die Verbrennung durch Mikrowelleneinstrahlung in den Brennraum unterstützt wird. Hierzu werden Tröpfchen einer durch Mikrowellen thermisch aktivierbaren Substanz in das Brenngemisch eingebracht.

[0009] Die US 4,446,826 A offenbart eine Zündvorrichtung, bei welcher der Verbrennungsraum derart geformt ist, dass sich Resonanzmoden der eingestrahlten Mikrowellen ausbilden können und dadurch ein Plasma erzeugt wird.

[0010] Die US 2,617,841 A offenbart eine Zündvorrichtung, bei welcher durch Einkoppeln von hochfrequenten Wellen ein Zündfunke erzeugt wird.

[0011] Die JP 59215967 A offenbart eine Vorrichtung zur Unterstützung des Startvorgangs einer Verbrennungsmaschine, wobei durch Einstrahlen einer elektromagnetischen Welle sehr hoher Frequenz in die Brennkammer eine Erhitzung von Brennstoff oder von die Verbrennung unterstützenden Stoffen erreicht wird. Hierzu wird die von einem Oszillator erzeugte Energie über einen Hohlleiter zu einer Hornantenne im Zylinderkopf geführt und von dieser über ein Fenster, das für diese Energie durchlässig ist, beispielsweise aus feuerfestem Glas besteht, in die Brennkammer gestrahlt.

[0012] Die EP 0 680 243 A ist ein Verfahren zum Beheizen eines chemischen Reaktors unter Einsatz von Mikrowellen bekannt.

[0013] Die DE 198 02 745 A1 offenbart eine mikrowellentechnische Zünd- und Verbrennungsunterstützungs-Einrichtung für einen Kraftstoffmotor, bei welcher der Brennraum mikrowellentechnisch als Resonator wirkt.
Durch Anregung jeweils für den Zünd- und den Verbrennungstakt ausgelegter, zur Kolbenachse rotationssymmetrischer Moden bzw. Modengemische wird die Verbrennung optimiert. Während der nach der Zündung zunächst selbstständig ablaufenden Verbrennung wird ein Plasma ausgebildet, welches zu einer starken Erhöhung der Resonatorgüte führt und so ein wirksames Einkoppeln einer Mikrowelle verhindert.
Daher erfolgt im abklingenden Verbrennungsprozess das Einkoppeln einer Mode, die zu einer vollständigen Verbrennung von restlichem Kraftstoff und von Verbrennungsrückständen im Wandbereich der Brennkammer führt. Die DE 198 02 745 A1 stellt den nächstliegenden Stand der Technik zur vorliegenden Erfindung dar.

[0014] Den bekannten Verfahren ist gemeinsam, dass sie aufwendige und damit kostenintensive und wartungsintensive Konstruktionen erfordern und darüber hinaus nur eine begrenzte Lebensdauer aufweisen.
Die Leistungsfähigkeit und Effizienz der Verbrennungsvorgangs und mithin des dadurch angetriebenen Motors sind darüber hinaus beschränkt.
Hinzu kommt, dass die Schadstoffemission nicht ausreichend reduziert ist. Insbesondere wird durch die zwecks Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs erfolgte Abmagerung des Kraftstoff-Luft-Gemisches eine geringere Verbrennungstemperatur erzielt, was eine geringere Leistung mit sich bringt. Die geringere Verbrennungstemperatur führt außerdem zu einer erhöhten Schadstoffemission.

[0015] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Zünden der Verbrennung eines Kraftstoffes in einem Verbrennungsraum eines Motors sowie eine zugehörige Zündvorrichtung und einen zugehörigen Motor bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden. Insbesondere soll die Zündung erfindungsgemäß so erfolgen, dass sich ein optimierter Verbrennungsverlauf ergibt, insbesondere bei vorgegebener Leistung ein reduzierter Kraftstoffverbrauch und eine reduzierte Schadstoffemission.

[0016] Die Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Verfahren sowie durch die in den nebengeordneten Ansprüchen bestimmte Vorrichtung und Motor gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.

[0017] In der Regel befindet sich im Verbrennungsraum ein Gemisch aus Kraftstoff und einer Sauerstoffquelle, beispielsweise ein Kraftstoff-Luft-Gemisch. Durch die Bewegung eines Kolbens im Zylinder ist darüber hinaus häufig das Kraftstoff-Luft-Gemisch während des Zündvorgangs verdichtet. Die Einkopplung der Mikrowellenstrahlung erfolgt so, dass sich eine möglichst homogene Energiedichteverteilung im Verbrennungsraum ergibt. Hierzu kann entweder das Mikrowellenfenster verhältnismäßig großflächig sein oder ein kleinflächiges Mikrowellenfenster verwendet werden. Im letztgenannten Fall kann es vorteilhaft sein, an der Eintrittstelle der Mikrowellenstrahlung in den in der Regel zylindrischen Verbrennungsraum eine Diffusoreinrichtung vorzusehen, beispielsweise eine geeignete, flächige Punkt-, Linien- oder Gitterstruktur vorzusehen, welche die Einstrahlung der Mikrowellen in den Verbrennungsraum mit einer isotropen Richtungscharakteristik bewirkt. Gegebenenfalls kann durch die Ausgestaltung des Diffusors eine vorgebbare Energiedichteverteilung im Verbrennungsraum erreicht werden.

[0018] Die Wellenlänge der Mikrowellen beträgt vorzugsweise zwischen 0,1 cm und 45 cm, insbesondere zwischen 1 cm und 15 cm und typisch zwischen 3 cm und 10 cm. Die Mikrowellen werden impulsförmig eingekoppelt, wobei hierfür mehrere Mikrowellenimpulse verwendet werden. Die Leistung der Mikrowellenimpulse ist abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall und kann beispielsweise zwischen einem Kilowatt und 70 kW betragen. Die Impulsdauer kann beispielsweise zwischen 1 nsec und 2 msec erfolgen, wobei der Impulsabstand der Mikrowellenimpulse typisch zwischen 100 nsec und 2 msec liegt.

[0019] Die zugeführte Mikrowellenenergie wird unmittelbar zur gleichzeitigen und gleichmäßigen Zündung des gesamten Kraftstoff-Luft-Gemisches verwendet. Durch die in Bezug auf die Geschwindigkeit der Kolbenbewegung verhältnismäßig kurze Impulsdauer ist die Veränderung des Volumens des Verbrennungsraums während der Impulsdauer vernachlässigbar klein.
Die Leistung des Mikrowellenimpulses muss ausreichend hoch gewählt werden, damit genügend Zündenergie in den Verbrennungsraum eingekoppelt wird.

[0020] Durch die zugeführte Mikrowellenenergie werden die im Kraftstoff-Luft-Gemisch vorhandenen Kraftstofftröpfchen bis zur Zündtemperatur erhitzt und dadurch das Gemisch gezündet. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei der vorliegenden Erfindung die Erzeugung eines Plasmas vermieden.

[0021] Im Gegensatz zu den bekannten Zündsystemen erfolgt bei der vorliegenden Erfindung die Zündung nicht an einem einzigen vorgegebenen Ort im Verbrennungsraum und muss sich daher auch nicht anschließend verhältnismäßig langsam ausbreiten, sondern im gesamten Verbrennungsraum das gesamte Kraftstoff-Luft-Gemisch nahezu gleichzeitig und gleichmäßig gezündet.

[0022] Bei den bekannten Zündverfahren läuft der Verbrennungsprozess des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Verbrennungsmotor in zwei Phasen ab: In der ersten, verhältnismäßig langsamen, so genannten laminaren Phase begrenzt die laminare Flammgeschwindigkeit im Wesentlichen die Geschwindigkeit des Verbrennungsprozesses des Motors und damit die Effizienz. Typische laminare Flammgeschwindigkeiten insbesondere von modernen Verbrennungsmotoren mit abgemagerten Gemischzusammensetzungen betragen etwa 10 cm/sec. An die laminare Phase schließt sich die so genannte turbulente Verbrennungsphase als zweite Phase an. Unter dem Gesichtspunkt einer möglichst hohen Effizienz sollte stets möglichst schnell die zweite turbulente Verbrennungsphase erreicht werden. Hierauf konzentrieren sich auch einige Bemühungen aus dem Stand der Technik, bei denen aber nach wie vor für das Erreichen der zweiten Phase der Ablauf der ersten Phase erforderlich ist.

[0023] Im Gegensatz dazu wird gemäß der vorliegenden Erfindung die erste, langsame laminare Verbrennungsphase vollständig übersprungen und die Zündung führt unmittelbar zur zweiten, schnellen turbulenten Verbrennungsphase.

[0024] Die Erfindung betrifft auch eine Zündvorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Als elektrische Energieversorgungsquelle kommt dabei vorzugsweise ein Impuls-Hochspannungsnetzteil in Betracht, welches die für die Mikrowellenimpulse erforderliche Energie bereitstellt. Als Mikrowellenquelle kann beispielsweise ein Magnetron, Klystron, Gyrotron, eine Wanderfeldröhre (Travelling Wave Tube, TWT) oder dergleichen eingesetzt werden. Eventuelle Mikrowellenverbindungen sind hinsichtlich ihrer Abmessungen an die Wellenlänge der Mikrowellenquelle anzupassen, um Reflektionen und Leitungsverluste möglichst klein zu halten. Gegebenenfalls kann die Mikrowellenleitung auch flexibel ausgestaltet sein.

[0025] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Mikrowellenquelle und dem Mikrowellenfenster eine Koppeleinrichtung angeordnet, welche einerseits die von der Mikrowellenquelle gesendeten Mikrowellen an das Mikrowellenfenster überträgt, andererseits die vom Verbrennungsraum reflektierten Mikrowellen aber nicht zurück in die Mikrowellenquelle überträgt. Insbesondere kann diese Koppeleinrichtung ein Dreitor aufweisen, insbesondere einen Zirkulator, an dessen erstem Tor die Mikrowellenquelle, dessen zweitem Tor das Mikrowellenfenster und dessen drittem Tor ein vorzugsweise passiver Mikrowellenverbraucher angeschlossen ist. Der Zirkulator hat die Funktion, Mikrowellenenergie von der Mikrowellenquelle zum Verbrennungsraum weiterzuleiten und gleichzeitig die vom Verbrennungsraum zurückgestrahlte Mikrowellenenergie zum passiven Mikrowellenverbraucher umzuleiten, der die vom Verbrennungsraum reflektierte Mikrowellenenergie absorbiert. Dadurch wird die Mikrowellenquelle vor den reflektierten Mikrowellenstrahlen geschützt. Der Zirkulator kann, um die Funktion der Reduktion von zurückgestrahlter Mikrowellenenergie zu verbessern, einen gasgefüllten Entlader enthalten.

[0026] Das Mikrowellenfenster ist für die Mikrowellenenergie im Wesentlichen durchlässig, insbesondere kann auch eine hohe Mikrowellenleistung hindurchtransportiert werden, und dichtet andererseits den Verbrennungsraum nach außen ab. Eine mögliche Ausführungsform des Mikrowellenfensters besteht in einer keramischen Scheibe, einer Scheibe aus Saphirglas oder einem anderen geeigneten Werkstoff. Das Mikrowellenfenster kann darüber hinaus beispielsweise flächige oder auch dreidimensionale Strukturen aufweisen, vorzugsweise an der Oberfläche, beispielsweise durch Aufbringen einer metallischen Struktur, durch welche eine vorgebbare Abstrahlcharakteristik der Mikrowellenenergie in den Verbrennungsraum hinein gewährleistet ist.

[0027] Der Erfindung betrifft auch einen Motor mit einer Zündvorrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Zündverfahren arbeitet. Bei einer besonderen Ausführungsart handelt es sich um einen Otto-Motor, Wankel-Motor, SIDI-(Spark Ignition Direct Injection)-Motor oder Diesel-Motor, bei dem ein Kraftstoff-Luft-Gemisch im Verbrennungsraum gezündet wird.

[0028] Die vorliegende Erfindung führt zu einer optimalen Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in einem erfindungsgemäßen Motor dadurch, dass im gesamten Verbrennungsraum durch die gleichzeitige und gleichmäßige Zündung und Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches keine erste, langsame laminare Verbrennungsphase entsteht, sondern die zweite, schnelle turbulente Verbrennungsphase beim Zünden unmittelbar gestartet wird. Hierzu werden im gesamten Verbrennungsraum kleine turbulente, sich unabhängig voneinander ausbreitende Zünd- und Verbrennungszonen erzeugt, nahezu gleichzeitig in sehr großer Anzahl. Dementsprechend wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch im gesamten Verbrennungsraum nahezu gleichzeitig gezündet und anschließend verbrannt.

[0029] Durch die Verwendung mehrerer Mikrowellenimpulse werden die im Kraftstoff-Luft-Gemisch vorhandenen Kraftstofftröpfchen stufenweise bis zum Erreichen der Zündtemperatur erhitzt. Dadurch werden die grundsätzlich unerwünschten unterschiedlichen Temperaturbereiche im Verbrennungsraum vermieden, denn die stufenweise Anhebung der Temperatur führt zu einer Vergleichmäßigung und damit im Endeffekt zu einer praktisch gleichzeitigen und gleichförmigen Zündung des gesamten Gemisches im Verbrennungsraum. Außerdem wird durch die Mehrfachimpulse die grundsätzlich ebenfalls unerwünschte Plasmaerzeugung verhindert.

[0030] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Fig. 1

zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung,

Fig. 2 bis 4

zeigen die Leistung eines Motors in Abhängigkeit von der Reduzierung der Kraftstoffmenge im Kraftstoff-Luft-Gemisch (Abmagerung), und

Fig. 5

zeigt den CO-Gehalt eines Motors in Abhängigkeit von der Abmagerung.

[0031] Die Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung 1 für einen ebenfalls nur schematisch dargestellten Motor 2, von dem nur der Zylinder 3 und der sich darin Auf und Ab bewegende Kolben 4 dargestellt ist. Der Kolben 4 und der Zylinder 3 begrenzen den Verbrennungsraum 5, in dem sich idealerweise gleichverteilt ein Kraftstoff-Luft-Gemisch befindet. In der Darstellung der Fig. 1 befindet sich der Kolben 4 annähernd im oberen Totpunkt.

[0032] Die Zündvorrichtung 1 umfasst zunächst ein Impuls-Hochspannungsnetzteil 6, mit dessen Energie die Mikrowellenquelle 7 betrieben wird. Ein erstes Stück einer vorzugsweise biegsamen Mikrowellenleitung 8 ist flanschartig mit einem ersten Anschlussflansch 9 des Zirkulators 10 verbunden. Auf der dem ersten Anschlussflansch 9 gegenüberliegenden Seite weist der Zirkulator 10 einen zweiten Anschlussflansch 11 auf, der flanschartig mit einer zweiten Mikrowellenleitung 12 verbunden ist, die ebenfalls vorzugsweise biegsam ist und zu dem Mikrowellenfenster 13 führt.

[0033] Das Mikrowellenfenster 13 ist derart an der Mantelfläche des Zylinders 3 festgelegt, dass die Einstrahlung der Mikrowellen so in den Verbrennungsraum 5 erfolgt, dass sich eine möglichst homogene Energiedichteverteilung im Verbrennungsraum 5 ergibt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das Mikrowellenfenster 13 aus einer keramischen Scheibe, die derart in dem Zylinder 3 eingefügt ist, dass der Verbrennungsraum 5 nach außen abgedichtet ist. Das Mikrowellenfenster 13 kann insbesondere auf seiner dem Verbrennungsraum 5 zugewandten Seite Strukturen 14 aufweisen, durch die eine diffuse Einstrahlungscharakteristik der Mikrowellen in den Verbrennungsraum 5 gewährleistet ist.

[0034] Durch den Zirkulator 10 wird entsprechend dem durch den Pfeil 15 repräsentierten Energiefluss die über den ersten Anschlussflansch 9 zugeführte Mikrowellenenergie praktisch ungedämpft über den zweiten Anschlussflansch 11 dem Mikrowellenfenster 13 zugeführt und damit in den Verbrennungsraum 5 eingekoppelt. Im Verbrennungsraum 5 auftretende Reflektionen können zu einer Rückstrahlung von Mikrowellenenergie über die zweite Mikrowellenleitung 12 und in den zweiten Anschlussflansch 11 führen. Der Zirkulator 10 gewährleistet in diesem Fall allerdings eine Ableitung der Mikrowellenenergie gemäß dem Pfeil 16, nämlich nicht zurück in den ersten Anschlussflansch 9, sondern über einen dritten Anschlussflansch 17, an den eine dritte Mikrowellenleitung 18 angeschlossen ist, die den reflektierten Energiestrom zu einem passiven Mikrowellenverbraucher 19 führt. Die Anschlussflansche 9, 11, 17 des Zirkulators 10 können auch entgegen der Darstellung in der Fig. 1 jeweils in einem Winkelabstand von 120° symmetrisch angeordnet sein.

[0035] Das erfindungsgemäße Zündverfahren wurde mit einer erfindungsgemäßen Zündvorrichtung an einem Verbrennungsmotor getestet. Es handelte sich dabei um einen Viertakt Otto-Motor mit vier Zylindern und einem Volumen von 1.300 cm³. Die Motorleistung betrug 63 PS/46,6 kW. Beim Betrieb mit einem konventionellen Zündsystem betrug der Kraftstoffverbrauch etwa 6,5 Liter je 100 km.

[0036] Bei diesem Serienmotor wurden die Zündkerzen entfernt und an deren Stelle keramische Scheiben als Dichtungen und als Mikrowellenfenster eingesetzt. Der Aufbau der Zündvorrichtung 1 entsprach dem der Fig. 1. Der Verbrennungsmotor war mechanisch mit einem elektrischen Generator verbunden, damit war es möglich, die Motorleistung zu bestimmen.
An dem Generator war ein ohmscher Verbraucher angeschlossen, der sich in einem Wasserkaloriemeter befand.

[0037] Die Figuren 2 bis 4 zeigen die Leistung des Motors in Abhängigkeit von der Reduzierung der Kraftstoffmenge im Kraftstoff-Luft-Gemisch (Abmagerung) in drei unterschiedlichen Betriebsbereichen, nämlich bei Volllast (Fig. 2), Halblast (Fig. 3) und Drittellast (Fig. 4.). Der Faktor der Abmagerung ist dabei als der Bruchteil zu verstehen, auf den der Kraftstoffanteil reduziert wurde, in den Darstellungen der Figuren 2 bis 4 ausgehend von 1/1 bis zu 1/4,5-tel. Dabei zeigt sich, dass bei einem Betrieb mit der erfindungsgemäßen Zündvorrichtung der Kraftstoffanteil im Gemisch selbst bei Volllast um den Faktor 3 abgemagert werden kann, ohne dass die Leistung reduziert ist; bei Drittellast beträgt dieser Faktor sogar 3,5.

[0038] Die Fig. 5 zeigt die Reduzierung des Kohlenmonoxid (CO)-Gehalts in den Abgasen des erfindungsgemäßen Motors in Abhängigkeit von der Konzentration des Kraftstoffs im Kraftstoff-Luft-Gemisch. Selbst beim Faktor 1 ist die Konzentration von CO mit 0,05 Vol% deutlich geringer als beim Standardmotor mit herkömmlicher Zündvorrichtung, wo dieser Wert etwa 0,20 Vol% beträgt. Bei einer Abmagerung um den Faktor 3 lässt sich der CO-Gehalt noch einmal herabsetzen bis auf 0,02 Vol%. Dies bedeutet eine Reduzierung des CO-Ausstoßes um den Faktor 10. Bei annähernd gleicher Leistung betrug der Verbrauch mit dem erfindungsgemäßen Zündverfahren nur etwa 2,3 Liter Otto-Kraftstoff auf 100 km, mithin nur noch etwa ein Drittel gegenüber dem Verbrauch mit konventionellem Zündverfahren.

Ansprüche

1. Verfahren zum Zünden der Verbrennung eines Kraftstoffes in einem Verbrennungsraum (5) eines Motors (2) durch Einkoppeln von in einer Mikrowellenquelle (7) außerhalb des Verbrennungsraums (5) erzeugter Mikrowellenstrahlung in den Verbrennungsraum (5), wobei die eingekoppelte Mikrowellenstrahlung von dem im Verbrennungsraum (5) verteilten Kraftstoff absorbiert wird, und wobei durch den aufgrund der Absorption entstehenden Energieeintrag in den Kraftstoff sich die Verbrennung großvolumig im Verbrennungsraum (5) verteilt, im Wesentlichen gleichzeitig gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenstrahlung in Form von 2 bis 10 Mikrowellenimpulsen mit einer Impulsdauer zwischen 1 ns und 2 ms, einem Impulsabstand zwischen 100 ns und 2 ms und hoher Energie mit einer Leistung der Mikrowellenpulse zwischen 1 kW und 70 kW eingekoppelt wird, dass für den Zündvorgang mehrere Mikrowellenpulse eingekoppelt werden, wobei durch einen schrittweisen Energieeintrag eine Nivellierung der Temperaturerhöhung des im Verbrennungsraum (5) verteilten Kraftstoffes bis hin zur Zündtemperatur gewährleistet wird, so dass die Verbrennung im gesamten Verbrennungsraum (5) gleichmäßig verteilt gezündet wird, und dass durch die Wahl der Zeitdauer der Einkopplung der Mikrowellenstrahlung, deren Leistung und gegebenenfalls der Impulsdauer und des Impulsabstandes die Entstehung eines für die Mikrowelleneinkopplung hinderlichen Plasmas im Verbrennungsraum (5) verhindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Betriebszustand des Motors (2) und der Leistungsanforderung an den Motor (2) die Anzahl der Mikrowellenimpulse, und/oder deren Leistung, und/oder deren Impulsdauer, und/oder deren Zeitpunkt gesteuert wird.

3. Vorrichtung (1) zum Zünden der Verbrennung eines Kraftstoffes in einem Verbrennungsraum (5) eines Motors (2), wobei die Vorrichtung (1) eine außerhalb des Verbrennungsraums (5) angeordnete Mikrowellenquelle (7) und ein mit der Mikrowellenquelle (7) verbundenes Mikrowellenfenster (13) aufweist, und wobei über das Mikrowellenfenster (13) die Mikrowellenstrahlung in den Verbrennungsraum (5) einkoppelbar ist, so dass die eingekoppelte Mikrowellenstrahlung von dem im Verbrennungsraum (5) verteilten Kraftstoff absorbierbar ist, und durch den aufgrund der Absorption entstehenden Energieeintrag in den Kraftstoff die Verbrennung großvolumig im Verbrennungsraum (5) verteilt, im Wesentlichen gleichzeitig zündbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenstrahlung in Form von 2 bis 10 Mikrowellenimpulsen mit einer Impulsdauer zwischen 1 ns und 2 ms, einem Impulsabstand zwischen 100 ns und 2 ms und hoher Energie mit einer Leistung der Mikrowellenimpulse zwischen 1 kW und 70 kW eingekoppelt ist, dass für den Zündvorgang mehrere Mikrowellenimpulse einkoppelbar sind, wobei durch einen schrittweisen Energieeintrag eine Nivellierung der Temperaturerhöhung des im Verbrennungsraum (5) verteilten Kraftstoffes bis hin zur Zündtemperatur gewährleistet ist, so dass die Verbrennung im gesamten Verbrennungsraum (5) gleichmäßig verteilt zündbar ist, und dass durch die Wahl der Zeitdauer der Einkopplung der Mikrowellenstrahlung, deren Leistung und gegebenenfalls der Impulsdauer und des Impulsabstandes die Entstehung eines für die Mikrowelleneinkopplung hinderlichen Plasmas im Verbrennungsraum (5) verhindert ist.

4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenquelle (7) von einer elektrischen Energieversorgungsquelle (6) gespeist ist, die elektrische Impulse liefert, welche durch die Mikrowellenquelle (7) in Mikrowellenimpulse umwandelbar sind.

5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Mikrowellenquelle (7) und dem Mikrowellenfenster (13), vorzugsweise im Verlauf einer Mikrowellenleitung (8, 12), eine Koppeleinrichtung (10) angeordnet ist, welche die von der Mikrowellenquelle (7) gesendeten Mikrowellen an das Mikrowellenfenster (13) überträgt, die vom Verbrennungsraum (5) reflektierten Mikrowellen aber nicht zurück in die Mikrowellenquelle (7) überträgt.

6. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinrichtung (10) ein Dreitor aufweist, insbesondere einen Zirkulator (10), an dessen erstem Tor die Mikrowellenquelle (7), dessen zweitem Tor das Mikrowellenfenster (13) und dessen drittem Tor ein vorzugsweise passiver Mikrowellenverbraucher (19) angeschlossen ist.

7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrowellenfenster (13) einen keramischen Werkstoff aufweist oder vollständig aus einem keramischen Werkstoff besteht.

8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenquelle (7) mit dem Mikrowellenfenster (13) durch eine vorzugsweise biegsame Mikrowellenleitung (8, 12) verbunden ist.

9. Motor (2) mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8 zum Zünden der Verbrennung eines Kraftstoffes in einem Verbrennungsraum (5) des Motors (2).

10. Motor (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Otto-Motor, Wankel-Motor, SIDI-(Spark Ignition Direct Injection)-Motor oder Diesel-Motor handelt und dass ein Kraftstoff-Luft-Gemisch im Verbrennungsraum (5) gezündet wird.

Claims

1. Process for ignition of combustion of a fuel in a combustion chamber (5) of an engine (2) by injecting microwave radiation generated in a microwave source (7) outside of the combustion chamber (5) into the combustion chamber (5), whereby the injected microwave radiation is being absorbed by the fuel distributed in the combustion chamber (5), and whereby the combustion spreads over a large volume of the combustion chamber (5) by reasons of the energy input to the fuel due to absorption, being ignited essentially at the same time, characterized in that the microwave radiation is introduced by 2 to 10 microwave radiation pulses with a pulse duration between 1 ns and 2 ms, with a pulse spacing of 100 ns to 2 ms and with a high energy with a power of the microwave radiation pulses between 1 kW and 70 kW, that for the ignition process several microwave pulses are injected, whereby a gradual energy input is performed to guarantee a levelling of the temperature increase of the fuel distributed in the combustion chamber (5) up to the ignition temperature in such, that the combustion in the combustion chamber (5) is ignited equally distributed, and that a formation of a plasma being obstructive to the introduction of microwave radiation into the combustion chamber (5) is prevented by the choice of the time duration of the injection of the microwave radiation, its power and optionally the pulse duration and the pulse spacing.

2. Process according to claim 1, characterized in that the number of microwave radiation pulses and/or their power and/or their pulse duration and/or their instant is controlled depending on the operational state of the engine (2) and the power demand on the engine (2).

3. Device (1) for igniting the combustion of a fuel in a combustion chamber (5) of an engine (2), whereby the device (1) comprises a microwave source (7) located outside the combustion chamber (5) and a microwave window (13) connected to the microwave source (7), and whereby the microwave radiation is injectable to the combustion chamber (5) by passing through the microwave window (13) in such, that the microwave radiation injected is absorbable by the fuel distributed in the combustion chamber (5), and by the energy input to the fuel due to absorption the combustion is distributed over a large volume of the combustion chamber (5), being ignitable basically at the same time, characterized in that the microwave radiation is injected by 2 to 10 microwave radiation pulses with a pulse duration between 1 ns and 2 ms, with a pulse spacing of 100 ns to 2 ms an with a high energy with a power of the microwave radiation pulses between 1 kW and 70 kW, that for the ignition process several microwave radiation pulses are introducible, whereby a gradual energy input is performed to guarantee a levelling of the temperature increase of the fuel distributed in the combustion chamber (5) up to the ignition temperature in such, that the combustion in the combustion chamber (5) is ignitable equally distributed and that a formation of a plasma being obstructive to the introduction of microwave radiation into the combustion chamber (5) is prevented by the choice of the time interval of the injection of the microwave radiation, its power and optionally the pulse duration and the pulse spacing.

4. Device (1) according to claim 3, characterized in that the microwave radiation source (7) is supplied by an electrical power supply source (6) which delivers electrical pulses which can be converted into microwave pulses by the microwave source (7).

5. Device (1) according to claim 3 or 4, characterized in that between the microwave source (7) and the microwave window (13), preferably over the course of the microwave line (8, 12), a coupling means (10) is arranged, which transmits the microwave radiation emitted by the microwave source (7) to the microwave window (13), but which does not transmit the microwave radiation reflected by the combustion chamber (5) back to the microwave source (7).

6. Device (1) according to claim 5, characterized in that the coupling means (10) has a triple port, especially a circulator (10) with a microwave source (7) connected to its first port, a microwave window (13) connected to its second port, and a preferably passive microwave consumer (19) is connected to its third port.

7. Device (1) according to any of the claims 3 to 6, characterized in that the microwave window (13) comprises a ceramic material or consists completely of a ceramic material.

8. Device (1) according to any of the preceding claims 3 to 7, characterized in that the microwave source (7) is connected to the microwave window (13) by a preferably flexible microwave line (8, 12).

9. Engine (2) with a device (1) according to any of the preceding claims 3 to 8 for ignition of the combustion of fuel in a combustion chamber (5) of an engine (2).

10. Engine (2) according to claim 9, characterized in that it is an Otto engine, SIDI (spark ignition direct injection) engine or diesel engine and that a fuel-air mixture is ignited in the combustion chamber (5).

Revendications

1. Procédé pour réaliser l'allumage de la combustion d'un carburant dans une chambre de combustion (5) d'un moteur (2) par injection dans la chambre de combustion (5) d'un rayonnement micro-ondes généré dans une source de micro-ondes (7) à l'extérieur de la chambre de combustion (5), selon lequel le rayonnement micro-ondes injecté est absorbé par le carburant réparti dans la chambre de combustion (5), et selon lequel, en raison de l'apport d'énergie dans le carburant résultant de l'absorption, la combustion est répartie dans un grand volume dans la chambre de combustion (5) et allumée d'une manière sensiblement simultanée, caractérisé en ce que le rayonnement micro-ondes est injecté sous la forme de 2 à 10 impulsions micro-ondes ayant une durée d'impulsion comprise entre 1 ns et 2 ms, un intervalle d'impulsions compris entre 100 ns et 2 ms et une énergie élevée avec une puissance des impulsions micro-ondes comprise entre 1 kW et 70 kW, que plusieurs impulsions micro-ondes sont injectées pour le processus d'allumage, un nivellement de l'augmentation de température du carburant réparti dans la chambre de combustion (5) jusqu'à la température d'allumage étant assuré par un apport d'énergie progressif, de sorte que la combustion est allumée d'une manière uniformément répartie dans toute la chambre de combustion (5), et que par le choix de la durée de l'injection du rayonnement micro-ondes, de sa puissance et, le cas échéant, de la durée d'impulsion et de l'intervalle d'impulsions, on empêche la formation, dans la chambre de combustion (5), d'un plasma qui fait obstacle à l'injection de micro-ondes.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre d'impulsions micro-ondes et/ou leur puissance et/ou leur durée d'impulsion et/ou leur moment sont commandés en fonction de l'état de fonctionnement du moteur (2) et de la puissance demandée au moteur (2).

3. Dispositif (1) pour réaliser l'allumage de la combustion d'un carburant dans une chambre de combustion (5) d'un moteur (2), le dispositif (1) présentant une source de micro-ondes (7) disposée à l'extérieur de la chambre de combustion (5) et une fenêtre à micro-ondes (13) reliée à la source de micro-ondes (7), et le rayonnement micro-ondes pouvant être injecté dans la chambre de combustion (5) par l'intermédiaire de la fenêtre à micro-ondes (13), de sorte que le rayonnement micro-ondes injecté peut être absorbé par le carburant réparti dans la chambre de combustion (5), et que, en raison de l'apport d'énergie dans le carburant résultant de l'absorption, la combustion est répartie dans un grand volume dans la chambre de combustion (5) et peut être allumée d'une manière sensiblement simultanée, caractérisé en ce que le rayonnement micro-ondes est injecté sous la forme de 2 à 10 impulsions micro-ondes ayant une durée d'impulsion comprise entre 1 ns et 2 ms, un intervalle d'impulsions compris entre 100 ns et 2 ms et une énergie élevée avec une puissance des impulsions micro-ondes comprise entre 1 kW et 70 kW, que plusieurs impulsions micro-ondes peuvent être injectées pour le processus d'allumage, un nivellement de l'augmentation de température du carburant réparti dans la chambre de combustion (5) jusqu'à la température d'allumage étant assuré par un apport d'énergie progressif, de sorte que la combustion peut être allumée d'une manière uniformément répartie dans toute la chambre de combustion (5), et que par le choix de la durée de l'injection du rayonnement micro-ondes, de sa puissance et, le cas échéant, de la durée d'impulsion et de l'intervalle d'impulsions, on empêche la formation, dans la chambre de combustion (5), d'un plasma qui fait obstacle à l'injection de micro-ondes.

4. Dispositif (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source de micro-ondes (7) est alimentée par une source d'alimentation électrique (6) qui fournit des impulsions électriques qui peuvent être converties en impulsions micro-ondes par la source de micro-ondes (7).

5. Dispositif (1) selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'entre la source de micro-ondes (7) et la fenêtre à micro-ondes (13), de préférence le long de la ligne à micro-ondes (8, 12), est disposé un dispositif de couplage (10) qui transmet les micro-ondes transmises par la source de micro-ondes (7) à la fenêtre à micro-ondes (13) mais ne retransmet pas les micro-ondes réfléchies par la chambre de combustion (5) à la source de micro-ondes (7).

6. Dispositif (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de couplage (10) présente une jonction à trois ports, en particulier un circulateur (10), au premier port duquel est connectée la source de micro-ondes (7), au deuxième port duquel la fenêtre à micro-ondes (13) et au troisième port duquel un consommateur de micro-ondes (19) de préférence passif.

7. Dispositif (1) selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la fenêtre à micro-ondes (13) présente un matériau céramique ou est entièrement constituée d'un matériau céramique.

8. Dispositif (1) selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la source de micro-ondes (7) est reliée à la fenêtre à micro-ondes (13) par une ligne à micro-ondes (8, 12) de préférence flexible.

9. Moteur (2) doté d'un dispositif (1) selon l'une des revendications 3 à 8 pour allumer la combustion d'un carburant dans une chambre de combustion (5) du moteur (2).

10. Moteur (2) selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un moteur à essence, d'un moteur Wankel, d'un moteur SIDI (Spark Ignition Direct Injection) ou d'un moteur diesel et qu'un mélange air-carburant est allumé dans la chambre de combustion (5).

Zeichnung