DE102007017304A1

DE102007017304A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ozonerzeugung für eine Verbrennungsmaschine

Info

Publication number: DE102007017304A1
Application number: DE102007017304A
Authority: DE
Inventors: Tuncay Berk
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2008-10-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Verbrennungsluft für eine Verbrennungsmaschine. Um eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem die Schadstoffemissionen einer Verbrennungsmaschine reduziert und der Wirkungsgrad der Maschine erhöht werden kann und mit welchem bereits bestehende Verbrennungsmaschinen nachgerüstet werden können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß sie einen elektrischen Lader mit mindestens einer ersten und einer zweiten Elektrode und eine Steuereinheit aufweist, wobei der elektrische Lader mit einer Verbrennungsmaschine derart verbindbar ist, daß die durch den elektrischen Lader strömende Luft in die Brennkammer geleitet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Aufbereitung von Verbrennungsluft für eine Verbrennungsmaschine.
Bei Verbrennungsvorgängen in Verbrennungsmaschinen, insbesondere in Verbrennungskraftmaschinen, z. B. Otto- oder Dieselmotoren, ist eine optimale Verbrennung dadurch charakterisiert, daß das Brenn- bzw. Kraftstoff-Luftgemisch, das durch Verbrennung in nutzbare thermische bzw. mechanische Energie umgewandelt wird, möglichst vollständig und schnell verbrannt wird. Eine unvollständige Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches führt zu erhöhten Schadstoffemissionen. Darüber hinaus ist mit einer unvollständigen Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches in der Verbrennungsmaschine immer auch eine Verminderung des Wirkungsgrades der Maschine verbunden.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Optimierung der Verbrennungsvorgänge in Verbrennungskraftmaschinen konzentrieren sich insbesondere auf den Einspritzvorgang für den Kraftstoff, die Bildung des Kraftstoff-Luftgemisches, die Zündung oder den Verbrennungsprozeß selbst. Andere Ansätze zur Verminderung der Schadstoffemissionen setzen demgegenüber auf eine Abgasnachbehandlung, bei der schädliche Bestandteile des Abgases gefiltert oder in weniger schädliche umgewandelt werden. Beispielsweise wird bei der Einspritzung das Ziel verfolgt, die Zerstäubung des eingespritzten Kraftstoffs zu verbessern und eine möglichst kleine und konstante Tröpfchengröße zu gewährleisten. Dies wird beispielsweise durch ein Zuströmen von Luft an der Einspritzstelle erreicht. Bei der Gemischbildung soll ein möglichst homogenes Gemisch mit einem stöchiometrischen Mischungsverhältnis (λ) von Luft, insbesondere dem darin enthaltenen, zur Verbrennung benötigten Sauerstoff, und Kraftstoff entstehen, welches an der Zündkerze gut entflammbar ist und schnell verbrennt. Ein zu geringer Sauerstoffteil (λ < 1) bewirkt einen guten Rundlauf des Motors, führt jedoch zu erhöhten HC- und CO-Emissionen. Liegt demgegenüber ein Sauerstoffüberschuß (λ > 1) vor, so läßt sich der Kraftstoffverbrauch reduzieren. Dem verringerten Kraftstoffverbrauch stehen jedoch erhöhte NO_x-Emissionen gegenüber. Auch durch den Zündzeitpunkt, die Zündenergie und die Funkendauer werden die Einleitung und der Fortgang der Verbrennung wesentlich beeinflußt. Wie beschrieben wirkt sich die Verbrennung unmittelbar auf die Abgaszusammensetzung aus. Ziel einer optimalen Verbrennung ist es daher, ein stöchiometrisches Verhältnis (λ = 1) zwischen Sauerstoff und Kraftstoff bei der Verbrennung zu erreichen. Bei einem stöchiometrischen Mischungsverhältnis kommen im Abgas theoretisch nur CO₂ und Wasser vor. Da jedoch die tatsächlichen Reaktionen in den bekannten Verbrennungsmaschinen von diesem Ideal abweichen, bleiben von der Verbrennungsreaktion Zwischenprodukte übrig, die sich mit dem Sauerstoff der Luft verbinden. Insbesondere bei Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge werden die unerwünschten Reaktionsprodukte der Verbrennung in nachgelagerten Prozessen durch Oxidation und Reduktion beispielsweise in Katalysatoren vermindert.
Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem die Schadstoffemissionen einer Verbrennungsmaschine reduziert und der Wirkungsgrad der Maschine erhöht werden kann. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem bereits bestehende Verbrennungsmaschinen nachgerüstet werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Bereitstellen einer Vorrichtung zur Aufbreitung von Verbrennungsluft für eine Verbrennungsmaschine gelöst, welche einen elektrischen Lader mit mindestens einer ersten und einer zweiten Elektrode und eine Steuereinheit aufweist, wobei der elektrische Lader mit einer Verbrennungsmaschine derart verbindbar ist, daß die durch den elektrischen Lader strömende Luft in die Brennkammer geleitet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der elektrische Lader ein elektrischer Ozonerzeuger.
Durch das Zuführen von Ozon (O₃) in die Brennkammer kann der Verbrennungsprozeß effizienter ablaufen. Aufgrund der in der Verbrennungsmaschine vorhandenen Wärme zerfällt das Ozon in der Brennkammer in molekularen Sauerstoff (O₂) sowie freie Sauerstoffradikale, d. h. atomaren Sauerstoff (O). Dieser atomare Sauerstoff im Kraftstoff-Luftgemisch erhöht die Verbrennungsgeschwindigkeit sowie die Verbrennungseffizienz, wobei die Zeit zwischen Zündung und vollständiger Verbrennung reduziert wird. Eine mit Ozon angereicherte Luft unterstützt die Verbrennung und begünstigt damit eine saubere, schnelle und vollständige Verbrennung.
Dabei wird in der vorliegenden Anmeldung unter einer Verbrennungsmaschine jegliche Art von Maschinen verstanden, die dazu dienen, durch das Verbrennen, d. h. die Oxidation von Brennstoffen Wärme und/oder mechanische Energie zu erzeugen. Zu diesen Verbrennungsmaschinen gehören insbesondere stationäre Brenner zur Wärmeerzeugung in Gebäuden und Wärmekraft- bzw. Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise Otto- und Dieselmotoren.
Das für die Verbesserung des Verbrennungsprozesses in der Verbrennungsmaschine benötigte Ozon wird mit Hilfe eines elektrischen Ozonerzeugers bereitgestellt. Ein solcher Ozonerzeuger weist mindestens zwei gegeneinander aufladbare, vorzugsweise leitfähige Elektroden auf, die durch eine Gasstrecke voneinander getrennt sind. Dabei sind die beiden sich gegenüberstehenden Elektroden elektrisch entgegengesetzt aufgeladen. Kommt es während des Vorbeiströmens von Luft entlang der Gasstrecke zu einer elektrischen Entladung zwischen den beiden Elektroden, so wird in der vorbeiströmenden Luft Ozon erzeugt.
Dabei ist eine Ausführungsform zweckmäßig, bei welcher die Elektroden so ausgestaltet sind, daß es zu einer stillen elektrischen Entladung kommt. Dazu sind die durch eine Gasstrecke getrennten leitfähigen Elektroden zusätzlich durch ein Dielektrikum elektrisch gegeneinander isoliert. Dadurch kommt es zu einer Entladung zwischen den sich gegenüberliegenden Elektroden in der Form von Filamenten, d. h. Mikroentladungen, oder vorzugsweise in der Form einer homogenen Entladung nach Art eines Dunstschleiers, der sich über das gesamte Entladungsvolumen erstreckt. Bei der stillen elektrischen Entladung werden näherungsweise ausschließlich Elektronen zwischen den Elektroden übertragen und die Elektronenübertragung hört auf, sobald das Dielektrikum aufgeladen ist, wodurch es zu einer Feldkompensation kommt. Die Zeitdauer einer solchen stillen elektrischen Entladung liegt im Bereich von Nanosekunden. Aufgrund der Aufladung des Dielektrikums und der damit verbundenen Kompensation des elektrischen Feldes muß zur Aufrechterhaltung der stillen elektrischen Entladung eine Wechselspannung an die Elektroden angelegt werden.
In einer alternativen Ausführungsform ist der elektrische Lader im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Elektrodenanordnung welche eine elektrisches Feld erzeugt, durch das die Verbrennungsluft für die Verbrennungsmaschine strömt, ohne daß es zu einer elektrischen Entladung und der damit verbundenen Ozonerzeugung kommt.
In einer weiteren Ausführungsform ist der elektrische Lader eine Elektrodenanordnung, die eine Ionisierung der durch die Anordnung strömenden Luft ermöglicht.
Zur Optimierung des Wirkungsgrades des elektrischen Laders kann der Elektrodenabstand, die Elektrodenausrichtung, das dielektrische Material als Isolator zwischen den Elektroden sowie die Spitzenspannung und die Frequenz der angelegten Wechselspannung variiert werden.
In der Praxis der Erfindung können alternativ folgenden Elektrodenkonfigurationen verwendet werden: ineinander geschobene konzentrische Rohre, welche die Elektroden bilden, parallele Platten nach Art eines Plattenkondensators, drahtumwickelte Elektroden für Oberflächenentladungen und eine gegenüber einer Platte angeordnete Spitze.
Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die erste Elektrode eine im wesentlichen hohlzylindrische Form aufweist und die zweite Elektrode im Inneren der ersten, hohlzylindrischen Elektrode angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode eine Mehrzahl von in radialer Richtung in Bezug auf den Hohlzylinder der ersten Elektrode verlaufende leitfähige Elektrodenelemente aufweist. Eine derartige Elektrodenanordnung, welche einen Querschnitt nach Art einer Bürste, die in einem Hohlzylinder steckt, wobei die Borsten der Bürste im wesentlichen radial in Bezug auf den Hohlzylinder verlaufen, aufweist, ermöglicht die Beibehaltung des vollen Luftzufuhrquerschnitts der Verbrennungsmaschine bei gleichzeitig hoher Effizienz des elektrischen Laders.
In einer weiteren Ausführungsform weist die erste Elektrode ausschließlich ein elektrisch isolierendes Material auf, während die zweite Elektrode wie zuvor beschrieben ein elektrisch leitfähiges Material aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Elektrode des elektrischen Laders um eine Achse drehbar angeordnet. Dabei fällt die Drehachse der zweite Elektrode vorzugsweise mit der Symmetrieachse der im wesentlichen hohlzylindrischen ersten Elektrode zusammen. Zweckmäßigerweise kann in einer Ausführungsform die zweite Elektrode mit einem Motor drehbar antreibbar sein, wobei alternativ die Drehbewegung der zweiten Elektrode auch durch den Luftstrom selbst, der sich in dem elektrischen Lader ausbildet, hervorgerufen werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eines der leitfähigen Elektrodenelemente der zweiten Elektrode, die sich von der Drehachse der zweiten Elektrode in radialer Richtung hin zu der ersten Elektrode erstrecken, in Form eines Rotorblatts ausgestaltet. Eine solche Ausgestaltung bewirkt eine Verwirbelung des durch den elektrischen Lader strömenden Luftstroms, wodurch die im Gasspalt zwischen den Elektroden aufbereitete Luft über das gesamte Luftstromvolumen verteilt wird. Vorzugsweise ist auch in dieser Ausführungsform die Drehbewegung der zweiten Elektrode mit Hilfe eines Motors, vorzugsweise eines Elektromotors aktiv angetrieben.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung zur Aufbereitung von Verbrennungsluft gemäß der vorliegenden Erfindung einen Turbolader auf, wobei der elektrische Lader in dem Turbolader angeordnet ist bzw. von diesem gebildet wird. Dabei sind die Schaufel- bzw. Rotorblätter des Verdichters des Turboladers elektrisch leitfähig und bilden die Elektrodenelemente der zweiten Elektrode im Sinne dieser Anmeldung. Das Ladergehäuse, welches die Schaufelräder des Turboladers umgibt, weist ebenfalls ein leitfähiges Material auf und bildet die erste Elektrode im Sinne dieser Anmeldung. Dabei ist das Ladergehäuse vorzugsweise auf seiner Innenseite mit einem Dielektrikum beschichtet, um wie oben beschrieben, eine stille elektrische Entladung zwischen den Spitzen der Schaufelräder und dem Ladergehäuse, zu ermöglichen.
Die Effizienz der Aufbereitung von Verbrennungsluft in dem elektrischen Lader hängt u. a. von der Luftfeuchtigkeit der einströmenden Luft ab. Je trockener die Luft, desto höher die Effizienz der Ozonerzeugung. Daher ist es vorteilhaft, wenn in Luftstromrichtung vor dem elektrischen Lader ein Lufttrockner vorgesehen ist.
Insbesondere bei der Verwendung der Vorrichtung zur Luftaufbereitung gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung in einer Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise einem Otto- oder Dieselmotor, bildet die Steuereinheit ein zentrales Element der Vorrichtung, so daß diese die zugrundeliegenden Aufgaben löst.
In der einfachsten Ausführungsform kann die Steuereinheit eine Einrichtung zum Einstellen der zwischen den Elektroden des elektrischen Laders anliegenden Spannung sein. Um den komplexen Anforderungen für die effiziente Luftaufbereitung, jedoch auch für die effiziente Verbrennung des Kraftstoffs in der Brennkammer der Verbrennungsmaschine Rechnung zu tragen, sind jedoch Ausführungsformen der Erfindung bevorzugt, bei welcher die Steuereinheit sowohl die an den Elektroden anliegende Spannung als auch bei Verwendung einer Wechselspannung deren Frequenz in Abhängigkeit von Parametern der Verbrennungsmaschine sowie der einströmenden Luft regelt.
Die zur Regelung der Elektrodenspannung bzw. -frequenz verwendeten Parameter können beispielsweise die Maschinentemperatur, der Zündzeitpunkt, die Kraftstoffmenge, welche dem Verbrennungsvorgang zugeführt wird sowie die Umdrehungszahl eines Motors sein. In Abhängigkeit von diesen Parametern der Verbrennungsmaschine, insbesondere eines Motors, wird beispielswei se die Menge des erzeugten Ozons angepaßt, um eine optimale Verbrennung und damit eine optimale Kraft- bzw. Wärmeerzeugung zu erreichen.
Auf der anderen Seite hängt jedoch wie oben erwähnt die Effizienz der Luftaufbereitung, insbesondere die Effizienz der Ozonerzeugung, maßgeblich von den Parametern der in den elektrischen Lader einströmenden Luft, insbesondere der Luftmenge, der Luftdichte, der Luftgeschwindigkeit, der Luftfeuchtigkeit sowie der Lufttemperatur ab. Daher müssen für eine effiziente Luftaufbereitung in dem elektrischen Lader diese Parameter erfaßt werden und in Abhängigkeit von diesen Parametern die Elektrodenspannung und/oder -frequenz geregelt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dabei die für eine effiziente Verbrennung benötigte Ozonmenge anhand der Parameter des Motors bestimmt, während die an den Elektroden anliegende Spannung bzw. deren Frequenz mit Hilfe der Parameter der in den Ozonerzeuger einströmenden Luft berechnet werden, so daß die von dem Ozonerzeuger in der einströmenden Luft erzeugte Ozonmenge mit der für den Verbrennungsprozeß benötigten Ozonmenge übereinstimmt.
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Verbrennungsmaschine mit einer Brennkammer, insbesondere jedoch von einer Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise einem Otto- oder Dieselmotor, gelöst, die eine Vorrichtung zur Luftaufbereitung, so wie sie zuvor diskutiert wurde, aufweist.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der elektrische Lader in dem Luftansaugkanal bzw. Luftansaugtrakt der Verbrennungsmaschine angeordnet ist. Bei einer Verbrennungskraftmaschine ist eine Anordnung des elektrischen Laders zwischen dem Luftfilter und der Brennkammer bevorzugt.
Statt den elektrischen Lader in dem Luftansaugkanal der Maschine anzuordnen, kann parallel zum Luftansaugkanal ein getrennter Kanal zur Luftaufbereitung vorgesehen sein, wobei dieser getrennte Kanal wahlweise direkt in die Brennkammer mündet oder vor der Brennkammer in den Luftansaugkanal der Maschine mündet. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der elektrische Lader einen Luftwegabstand d. h. einen Wegabstand von dem elektrischen Lader bis in die Verbrennungskammer der Maschine, den die in dem elektrischen Lader aufbereitete Luft bis zur Verbrennung zurücklegen muß, von 5 bis 50 cm und vorzugsweise von 10 bis 20 cm aufweist.
Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Ausführungsformen, in denen der elektrische Lader ein elektrischer Ozonerzeuger ist. Ozon zerfällt nach der Erzeugung sehr schnell in molekularen Sauerstoff (O₂) sowie freie Sauerstoffradikale, wobei die freien Sauerstoffradikale dann unmittelbar mit den in ihrer Umgebung befindlichen Elementen und Molekülen reagieren. Daher ist es vorteilhaft, wenn möglichst viel Ozon als solches die Brennkammer erreicht und erst dort zerfällt, so daß die freien Sauerstoffradikale unmittelbar dem Verbrennungsprozeß zugeführt werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Optimierung der Verbrennung in einer Verbrennungskraftmaschine gelöst, wobei die der Verbrennung zugeführte Luft vor der Verbrennung durch eine elektrisches Feld mit einer Feldstärke E geleitet wird.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn das elektrische Feld eine Feldstärke E in einem Bereich von 10 kV/m bis 1 MV/m aufweist. Dabei ist für Benzin- bzw. Dieselmotoren eine Feldstärke E in einem Bereich von 18 kV/m bis 800 kV/m bevorzugt, während ein Erdgasmotor lediglich eine Feldstärke E in einem Bereich von 10 kV/m bis 130 kV/m erfordert.
Wird das elektrische Feld mit Hilfe zweier sich gegenüberliegender Elektroden erzeugt, so wird vorzugsweise zwischen den Elektroden eine Spannung im Bereich von 10 V bis 1000 V angelegt. Dabei ist für einen Benzin- bzw. Dieselmotor eine Spannung im Bereich von 18 V bis 800 V bevorzugt, während beispielsweise ein Ergasmotor lediglich eine Spannung im Bereich von 10 V bis 130 V erfordert. Zweckmäßig ist dabei ein Elektrodenabstand von etwa 1 mm.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die zur Erzeugung des elektrischen Feldes an den Elektroden anliegende Spannung so geregelt, daß mit zunehmender Temperatur der durch den elektrischen Lader strömenden Luft das elektrische Feld verringert wird. Insbesondere ist es zweckmäßig wenn pro 10°C an Temperaturzunahme der Luft die an den Elektroden des elektrischen Laders anliegende Spannung um einen Faktor 1,4 verringert wird.
In noch einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist das erzeugte elektrische Feld die Form eines Rechtecksignals auf. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Wiederholfrequenz f des Feldes von der Temperatur der Verbrennungsmaschine abhängt, wobei die Wiederholfrequenz des Feldes mit zunehmender Temperatur der Verbrennungsmaschine abnimmt. Insbesondere ist eine Änderung der Frequenz f um 10% pro 10°C an Temperaturänderung bevorzugt.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die elektrische Feldstärke E des elektrischen Laders in Abhängigkeit der Parameter Temperatur, Geschwindigkeit und Druck der durch den elektrischen Lader strömenden Luft eingestellt, wobei die Temperatur eine Gewichtung von 90% aufweist, während die Geschwindigkeit und der Luftdruck mit jeweils 5% gewichtet werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der vorliegenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren deutlich.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Ozonerzeugung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ozonerzeugung mit einer ersten Ausführungsform des Ozonerzeugers.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ozonerzeugung mit einer zweiten Ausführungsform des Ozonerzeugers.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ozonerzeugung mit einer dritten Ausführungsform des Ozonerzeugers.
1 zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ozonerzeugung, wobei in der dargestellten Ausführungsform der Ozonerzeuger 1 in dem Lufteinlaßtrakt eines Otto-Motors eingebaut ist. Der Ozonerzeuger 1 ist dabei im Ansaugrohr 2 des Motors angeordnet, so daß der in den Motor einströmende Luftstrom 3 durch den Ozonerzeuger 1 fließt, bevor der dann mit Ozon angereicherte Luftstrom 3 in die Brennkammer des Motors gesaugt wird. Dabei ist die Anordnung des Ozonerzeugers im Luftansaugkanal in 1 lediglich schematisch dargestellt.
Der Ozonerzeuger 1 kann vorteilhafterweise den gleichen Durchmesser aufweisen wie der Lufteinlaßkanal 2, so daß das gesamte Luftvolumen 3, das in den Motor gesaugt wird, durch den Ozonerzeuger 1 hindurchtritt. Alternativ kann wie in 1 dargestellt der Ozonerzeuger einen geringeren Durchmesser als der Ansaugkanal 2 aufweisen, so daß nur ein Teil des durch den Ansaugkanal 2 gesaugten Luftstroms auch durch den Ozonerzeuger 1 hindurchtritt.
Ein zentrales Element der in 1 gezeigten Vorrichtung zur Ozonerzeugung ist neben dem Ozonerzeuger 1 die Steuereinheit 4, welche über eine Steuerleitung 5 mit dem Ozonerzeuger 1 verbunden ist. Die Steuereinheit 4 ist über eine Versorgungsleitung 6 mit der elektrischen Versorgung, d. h. insbesondere der Batterie, des Kraftfahrzeugs verbunden. In Abhängigkeit von den Betriebsparametern des Fahrzeugs, auf welche nachfolgend noch detaillierter eingegangen wird, erzeugt die Steuereinheit 4 auf der Steuerleitung 5 eine entsprechende Spannung, welche an den Elektroden des Ozonerzeugers 1 anliegt. Je nach Bauart des Ozonerzeugers handelt es sich bei der Steuerspannung des Ozonerzeugers um eine Gleich- oder Wechselspannung. Wird eine Wechselspannung verwendet, so kann neben der Amplitude der angelegten Spannung auch die Frequenz des Signals variiert werden.
Um die Betriebsparameter des Motors zu erfassen, ist die Steuereinheit 4 mit Sensoren 7–10 verbunden. Bei dem Sensor 7 handelt es sich um einen Lufttemperatursensor zur Bestimmung der Luft temperatur der vom Motor angesaugten Luft 3 an einem Ort 11 vor dem Ozonerzeuger 1. An der gleichen Stelle 11 wird mit Hilfe der Sensoren 9 und 10 die Luftgeschwindigkeit der dem Verbrennungsprozeß zugeführten Luft sowie die Luftdichte der durch den Ozonerzeuger strömenden Luft 3 bestimmt. Der Sensor 8 ist ein Temperatursensor, der mit dem Motorblock, in der dargestellten Ausführungsform in der Nähe der Brennkammer, verbunden ist, so daß die Betriebstemperatur des Motors erfaßt wird.
In der dargestellten Ausführungsform ist der Ozonerzeuger 1 in einem Abstand von 30 cm vor der Brennkammer des Kraftfahrzeugmotors (nicht dargestellt) angeordnet. Dabei bedeutet ein Abstand von 30 cm, daß die durch den Ozonerzeuger 1 strömende Luft 3 ab dem Ozonerzeuger 1 gemessen noch einen Weg von ca. 30 cm bis in die Verbrennungskammer zurücklegen muß. Eine solche Anordnung ist vorteilhaft, da das Ozon insbesondere unter Temperatureinfluß schnell in molekularen Sauerstoff (O₂) und molekularen Sauerstoff (O) zerfällt, wobei der freie Sauerstoff an der Verbrennung in der Brennkammer beteiligt sein soll und nicht vorher mit einem Element der Ansaugleitung 2 reagieren sollen. Daher ist die Wahl des richtigen Abstands zwischen Ozonerzeuger 1 und der Brennkammer des Motors eine wichtige Voraussetzung für das Funktionieren der Erfindung.
In den 2 bis 4 sind drei alternative Ausführungsformen des Ozonerzeugers dargestellt. Dabei sind in den Figuren identische Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. In den in 2 bis 4 gezeigten Ausführungsformen sind die Ozonerzeuger 1', 1'', 1''' mit einer Steuereinheit 4 verbunden, welche den Betrieb des Ozonerzeugers in Abhängigkeit von den mit Hilfe der zuvor beschriebenen Sensoren 7, 8, 9 und 10 erfaßten Betriebsbedingungen regelt.
Wie in den 2 bis 4 gezeigt, weist die Steuereinheit 4 zwei Regler 12, 13 auf, mit denen die minimalen und maximalen Spannungswerte, mit welchen die Elektroden der Ozonerzeuger beaufschlagt werden, eingestellt werden können.
In 2 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ozonerzeugers 1' gezeigt. Dabei ist der Ozonerzeuger 1' im Ansaugkanal eines Kraftfahrzeugmotors angeordnet. Der Ozonerzeuger besteht aus einer Elektrodenanordnung aus zwei Elektroden 14, 15, wobei die erste Elektrode 14 ein zylindrisches Rohr ist. Dieses zylindrische Rohr besteht aus Eisen und ist auf seiner Innenseite mit einer dielektrischen isolierenden Beschichtung 16 versehen. Die erste Elektrode 14 hingegen besteht aus einem bügelartigen Halter 17, welcher den Kern 18 einer die erste Elektrode 14 bildenden Bürste trägt. Mit dem leitenden Kern der ersten Elektrode 14 sind Drahtfäden verbunden, welche sich ausgehend von dem Kern 18 im wesentlichen in radialer Richtung auf das zylindrische Rohr 15 der zweiten Elektrode hin erstrecken. Bei der Beaufschlagung der beiden Elektroden mit einer Wechselspannung findet zwischen den Spitzen der mit dem Kern 18 verbundenen Drähte und dem zylindrischen Rohr 15 der zweiten Elektrode bzw. der dielektrischen Beschichtung 16 eine stille Entladung statt, bei der in der durch den Ozonerzeuger 1' strömenden Luft 3 Ozon erzeugt wird. Um eine Feldkompensation des sich bei der stillen Entladung aufladenden Dielektrikums 16 zu verhindern, wird diese Vorrichtung mit einer Wechselspannung betrieben.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform des Ozonerzeugers 1'' gezeigt, die wie zuvor über eine Steuerleitung 5 mit der Steuereinheit 4 verbunden ist. In dieser Ausführungsform bildet das Rohr 2 des Ansaugkanals die zweite Elektrode 15''. Demgegenüber wird die erste Elektrode 14'' von den Schaufelblättern eines drehbar um eine Achse 19 gelagerten Propellers 20 gebildet. Die als Elektroden wirkenden Schaufelblätter 14'' sind elektrisch leitfähig und mittels einer Kontaktbürstenanordnung, welche mit der Steuerleitung 5 verbunden ist, werden die Schaufelblätter 14'' mit einer Spannung beaufschlagt, so daß eine stille Entladung zur Ozonerzeugung zwischen der feststehenden Elektrode 15'' des Ansaugkanals und den Rotorblättern 14'' bewirkt wird.
In der dargestellten Ausführungsform ist der Propeller 20 passiv angetrieben, d. h. er verfügt über keinen zusätzlichen Motor, sondern die Schaufelblätter werden von dem in den Ozonerzeuger 1'' eintretenden Luftstrom 3 angetrieben. Aufgrund der Bewegung des Schaufelblattes wird das in dem Ozonerzeuger 1'' erzeugte Ozon mit der restlichen Luftmasse der einströmenden Luft 3 gut vermischt und es entsteht eine homogene Ozonverteilung in dem Luftmassenstrom hin zur Brennkammer des Motors.
In 4 ist eine dritte alternative Ausführungsform des Ozonerzeugers 1''' dargestellt, wobei der Ozonerzeuger 1''' wiederum über eine Steuerleitung 5 mit der Steuereinheit 4 verbunden ist. In der dargestellten Ausführungsform ist der Ozonerzeuger 1''' in einen Abgasturbolader integriert. Dabei wird die zweite Elektrode 15''' vom Gehäuse des Turboladers gebildet, während die erste Elektrode von den Turbinenschaufeln 14''' des Laders 21 gebildet wird. Der Antrieb des Laders 21 und damit der Schaufeln 14''', welche sowohl der Ozonerzeugung als auch der zusätzlichen Druckaufladung des Motors dienen, erfolgt über eine Abgasturbine, die in 4 nicht dargestellt ist, welche mit der Antriebsachse 22 des Laders 21 verbunden ist und den Lader 21 antreibt. In einer alternativen Ausführungsform kann die Drehachse 22 des Laders auch mit einem Elektromotor oder über eine mechanische Kopplung der Achse mit der Antriebswelle des Motors verbunden sein, so daß auf diese Weise eine Drehbewegung der Schaufeln 14''' bzw. des Laders 21 bewirkt wird.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, daß sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen un möglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.

1, 1', 1'', 1''': Ozonerzeuger
2: Ansaugrohr/Lufteinlaßkanal
3: Luftstrom
4: Steuereinheit
5: Steuerleitung
6: Versorgungsleitung
7–10: Sensoren
11: Ort im Ansaugkanal vor dem Ozonerzeuger
12, 13: Regler
14–15: Elektroden
16: dielektrische Beschichtung
17: Halter
18: Kern
19: Achse
20: Propeller
21: Lader
22: Antriebsachse

Claims

Vorrichtung zur Aufbereitung von Verbrennungsluft für eine Verbrennungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen elektrischen Lader (1, 1', 1'', 1''') mit mindestens einer ersten und einer zweiten Elektrode (14, 15) und eine Steuereinheit (4) aufweist, wobei der elektrische Lader (1, 1', 1'', 1''') mit einer Verbrennungsmaschine derart verbindbar ist, daß die durch den elektrischen Lader (1, 1', 1'', 1''') strömende Luft in die Brennkammer geleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (15) eine im wesentlichen hohlzylindrische Form aufweist und die zweite Elektrode (14) im Inneren der ersten Elektrode (15) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrode (14) eine Mehrzahl von in radialer Richtung verlaufenden leitfähigen Elektrodenelementen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (14', 14'', 14''') um eine Drehachse (19, 22) drehbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode mit einem Motor drehbar antreibbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der leitfähigen Elektrodenelemente der zweiten Elektrode (14'', 14''') die Form eines Rotorblattes aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Turbolader aufweist, wobei der elektrische Lader in dem Turbolader angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Luftstromrichtung vor dem elektrischen Lader ein Lufttrockner vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit eine Einrichtung zur Erfassung der Temperatur (7) der Verbrennungsmaschine aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit eine Einrichtung zur Erfassung der in den elektrischen Lader einströmenden Luftmenge aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit eine Einrichtung zur Erfassung der Luftfeuchtigkeit der in den elektrischen Lader einströmenden Luft aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit eine Einrichtung zur Erfassung der Temperatur der in den elektrischen Lader einströmenden Luft aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit eine Einrichtung zur Erfassung der Luftgeschwindigkeit der den elektrischen Lader durchströmenden Luft aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit eine Einrichtung zur Erfassung des Luftdrucks der den elektrischen Lader durchströmenden Luft aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Lader ein Kondensator ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Lader ein elektrischer Ozonerzeuger ist.
Verbrennungsmaschine mit einer Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsmaschine eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Verbrennungsluft nach einem der Ansprüche 1 bis 15 aufweist.
Verbrennungsmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise ein Otto- oder Dieselmotor, ist.
Verbrennungsmaschine nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsmaschine einen Luftansaugkanal aufweist, wobei der elektrische Lader (1, 1', 1'', 1''') in dem Luftansaugkanal (2) angeordnet ist.
Verbrennungsmaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsmaschine einen Luftansaugkanal (2) aufweist, wobei der elektrische Lader (1, 1', 1'', 1''') in einem von dem Luftansaugkanal getrennten Kanal zur Aufladung angeordnet ist.
Verbrennungsmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der getrennte Kanal zur Aufladung vor der Brennkammer in den Luftansaugkanal (2) mündet.
Verbrennungsmaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Lader (1, 1', 1'', 1''') in einem Luftwegabstand von 5 cm bis 50 cm und vorzugsweise von 10 cm bis 20 cm vor der Verbrennungskammer angeordnet ist.
Verfahren zur Optimierung der Verbrennung in einer Verbrennungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die der Verbrennung zugeführte Luft vor der Verbrennung durch ein elektrisches Feld mit einer elektrischen Feldstärke E geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld so eingestellt wird, daß es eine elektrische Feldstärke E in einem Bereich von 10 kV/m bis 1 MV/m, vorzugsweise in einem Bereich von 18 kV/M bis 800 kV/m aufweist.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Feldstärke E in Abhängigkeit von der Lufttemperatur der durch das elektrische Feld geleiteten Luft eingestellt wird, wobei mit zunehmender Lufttemperatur die elektrische Feldstärke E verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld durch eine intermittierende Rechteckspannung mit einer Frequenz f erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz f der Rechteckspannung in Abhängigkeit von der Temperatur der Verbrennungsmaschine eingestellt wird, wobei mit zunehmender Temperatur der Verbrennungsmaschine die Frequenz f verringert wird.