DE102010000349B3

DE102010000349B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Plasmazündung brennstoffhaltiger Gemische, insbesondere in Verbrennungsmotoren und -turbinen

Info

Publication number: DE102010000349B3
Application number: DE201010000349
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2030-02-11

Abstract

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei der Plasmazündung brennstoffhaltiger Gemische, insbesondere in Verbrennungsmotoren und -turbinen wird eine magnetische Partikel- bzw. Plasmabeeinflussung bewirkt, indem man während jedes Zündvorganges im Bereich des Zündraumes mindestens ein Magnetfeld erzeugt, um eine volumenmäßige Ausdehnung eines Zündfunkenplasmas zu bewirken, vorzugsweise mittels einer Vorrichtung die gekennzeichnet ist durch eine Zündkerze, enthaltend – eine Mittelelektrode (2) und – mindestens eine mit ihrem einen Ende an Masse angeschlossene, aus elektrisch leitendem Material bestehende Spule (3), deren anderes, einen Zündkontakt bildendes Ende in einem ein Überspringen eines Zündfunkens ermöglichenden Abstand von der Mittelelektrode liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündkerze und ein Verfahren zur Plasmazündung brennstoffhaltiger Gemische, insbesondere in Verbrennungsmotoren und -turbinen.
In der eine solche Zündkerze und ein solches Verfahren beschreibenden DE 100 37 536 C2 ist zum Ausdruck gebracht, dass für eine effektive Zündung insbesondere von mageren Gemischen ein hoher Anteil angeregter Moleküle, Atome oder Radikale erforderlich ist, welcher von einem konventionellen Zündfunken zur Verfügung gestellt wird. Ein konventioneller Zündfunken ist ein Bogendurchschlag zwischen Elektroden, die zu einem überwiegend thermischen Plasma führen.
Um den Wirkungsgrad bei der Plasmazündung brennstoffhaltiger Gemische bei Beibehaltung einer guten Laufkultur zu erhöhen und um weiterhin zu erreichen, dass die relevanten motorischen Rohemissionen (NOx, HC, CO, Partikel) möglichst geringe Werte aufweisen, bestand gemäß DE 100 37 536 C2 die Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine hohe volumenmäßige Ausdehnung eines mit einem Plasma erzeugten Funkens zur Zündung brennstoffhaltiger Gemische in Verbrennungsmotoren erreicht werden kann. Diese Aufgabe sollte bei dem bekannten System mittels einer gepulsten Hochfrequenzentladung in einer Plasma-Feldentladung erreicht werden, wobei die Entladung zwischen mit einem Dielektrikum beschichteten Elektroden erfolgt, um ein Nichtgleichgewichts-Plasma zu erzeugen. Dies hat den Nachteil eines hohen konstruktiven Aufwandes, einer zusätzlich komplizierten Handhabung der Hochfrequenztechnik und Zündspannungsisolierung bei einem zu geringen Wirkungsgrad und hat sich deshalb in der Praxis nicht durchgesetzt.
Die EP 0 172 954 B1 beschreibt eine Plasmastrahl-Zündvorrichtung mit einem Zündraum, einer Vorrichtung zum Entladen von elektrischer Energie, um Plasma-Radikale in dem Zündraum zu erzeugen, und einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem Zündraum, wobei das Magnetfeld dazu dient, auf die erzeugten Plasma-Radikale eine Treibkraft auszuüben, welche die Plasma-Radikale aus dem Zündraum in den das Brennstoffgemisch enthaltenden Brennraum hinaustreibt. Der Zündraum ist über einen Verbindungskanal an einen Speicher für gasförmiges Plasmamaterial angeschlossen. Die Vorrichtung zum Entladen von elektrischer Energie enthält eine auf einer Achse des Zündraumes angeordnete stabförmige Mittelelektrode und eine diese Mittelelektrode umgebende ringförmige Masseelektrode. Die Vorrichtung zum Erzeugen des Magnetfeldes enthält eine in eine Keramikkappe eingebettete Magnetfeldspule, die den Zündraum umgibt.
Der Aufbau dieser bekannten Vorrichtung ist aufwendig, insbesondere im Hinblick

– auf die Zuordnung eines eigenen Speichers für gasförmiges Plasmamaterial
– auf die Einbettung der Magnetfeldspule in eine Keramikkappe
– auf den von der Magnetfeldspule umgebenen zusätzlichen Zündraum, der dem das Brennstoffgemisch enthaltenden Brennraum vorgeschaltet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber den bekannten Plasmastrahl-Zündvorrichtungen vereinfachte Zündkerze zur Plasmazündung brennstoffhaltiger Gemische zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße, eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode aufweisende Zündkerze zur Plasmazündung brennstoffhaltiger Gemische gekennzeichnet durch mindestens eine mit ihrem einen Ende an Masse angeschlossene, aus elektrisch leitendem Material bestehende Spule, deren anderes Ende in einem ein Überspringen des Zündfunkens ermöglichenden Abstand die Masseelektrode bildet, und dass diese Spule derart im Bereich des Zündraums angeordnet ist, dass mindestens ein Magnetfeld erzeugt wird, um eine volumenmäßige Ausdehnung eines Zündfunkenplasmas zu bewirken.
Während bei der bekannten Plasmastrahl-Zündvorrichtung gemäß EP 0 172 954 B1 die den Zündraum umgebende, in eine Keramikkappe eingebettete Magnetfeldspule auf die erzeugten Plasma-Radikale ausschließlich eine Treibkraft ausüben soll und keinen Anteil an dem eigentlichen Zündvorgang hat, bewirkt die erfindungsgemäß angeordnete und gestaltete Spule eine volumenmäßige Ausdehnung des Zündfunkenplasmas in dem das brennstoffhaltige Gemisch aufnehmenden Brennraum, wobei diese Spule mit ihrem die Masseelektrode bildenden Zündkontakt unmittelbar an dem Zündvorgang beteiligt ist.
Aus den durch die mittels der Spule, die auch als Streu-Plasmaspule bezeichnet werden kann, erreichten Nicht-Gleichgewichts-Plasmen resultiert eine erhöhte Konzentration an aktivierten Molekülen, Atomen und ionisierten Radikalen. Damit verbunden ist ebenfalls eine hohe Konzentration von Sekundär-Radikalen, die eine erhöhte volumenmäßig ausgedehnte Anwesenheit von Radikalen in dem Brennstoffgemisch gewährleisten und auch eine zuverlässige Zündung magerer Brennstoffgemische erreichen.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zündkerze sind in den Unteransprüchen 2–14 behandelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Plasmazündung brennstoffhaltiger Gemische, insbesondere in Verbrennungsmotoren und -turbinen, unter Verwendung einer eine Mittelelektrode und eine Masseelektrode aufweisenden Zündkerze, ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens einer mit ihrem einen Ende an Masse angeschlossenen, aus elektrisch leitendem Material bestehenden Spule, deren anderes Ende die Masseelektrode bildet, während jedes Zündvorgangs mittels des Zündstroms im Bereich des Zündraumes mindestens ein Magnetfeld erzeugt wird, um eine volumenmäßige Ausdehnung des Zündfunkenplasmas zu bewirken.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt in vergrößerter Darstellung ausschnittsweise das obere Ende einer Zündkerze mit einer der Mittelelektrode zugeordneten Spule.
2 entspricht der Darstellung von 1 mit zusätzlich eingezeichnetem Magnetfeld.
3 zeigt eine Draufsicht auf das in den 1 und 2 dargestellte Zündkerzensystem.
4 zeigt eine Seitenansicht einer Standard-Zündkerze, der erfindungsgemäß im Bereich des oberen Endes der Mittelelektrode zwei Spulen zugeordnet sind.
Bei der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zündkerze sind in vereinfachter Darstellung das Einschraubgewinde 4 sowie die Mittelelektrode 2 dargestellt. Die Mittelelektrode 2 ragt in das Innere einer aus elektrisch leitendem Material bestehenden Spule 3, die auf einen Isolierzylinder 7 aufgewickelt ist. Die Mittelelektrode 2 liegt mit ihrem den Zündkontakt bildenden Ende innerhalb der Spule 3. Der Zündkontakt der Mittelelektrode 2 liegt in einem ein Überspringen eines Zündfunkens ermöglichenden Abstand von dem oberen Spulenende, das zu einem den zweiten Zündkontakt bildenden Ring-Polende 3.1 gewickelt ist, dessen Durchmesser kleiner ist als der Wicklungsdurchmesser der Spule 3. Das andere Spulenende ist mittels eines Leiters 3.2 ist an Masse angeschlossen.
Die Achse der Spule 3 liegt in der Verlängerung der Zündkerzen- und der Mittelelektrodenachse.
Der in 4 dargestellten Standard-Zündkerze 1 sind erfindungsgemäß im Zündbereich der Mittelelektrode 2 zwei an Masse angeschlossenen Spulen zugeordnet.
Das Spulensystem kann auch drei Spulen enthalten, deren Achsen in einem Winkelabstand von 120° liegen, oder sechs Spulen, deren Achsen in einem Winkelabstand von 60° liegen.
Bei den drei oder sechs Spulen enthaltenden Spulensystemen sind die außen liegenden Spulenenden an Masse angeschlossen, während die innen liegenden Spulenenden an einen gemeinsamen Polring angeschlossen sind, der den der Mittelelektrode axial mit Abstand gegenüberliegenden Zündkontakt bildet.
Die Spulen bestehen vorzugsweise aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe von Nickel-Mangan-Silicium-Legierungen, Chrom-Stahl, Nickel-Barrium- und Nickel-Pollodium-Legierungen, Platin oder vorzugsweise Wolfram.
Die Spulen sind vorzugsweise aus einem Draht mit einem Durchmesser D4 zwischen 0,3 mm und 1,2 mm gewickelt. Der Außendurchmesser D1 jeder Spule hat vorzugsweise einen Wert zwischen 3 mm und 10 mm, während der Spuleninnendurchmesser D2 einen Wert zwischen 2,4 mm und 7,6 mm hat. Der Außendurchmesser D3 der Ring-Polenden wird bestimmt durch den Innendurchmesser D2 der jeweiligen Spulen.
Die Spulen können vorzugsweise zumindest teilweise in einen Körper aus hochisolierendem, temperaturfestem Material eingegossen sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann jede Spule vorzugsweise konisch verlaufend oder mehrlagig isoliert gewickelt sein.
Das erfindungsgemäße Zündsystem nutzt den Zündstrom, der während einer HV-Zündentladung zwischen den modifizierten Zündkontakten blitzartig fließt, um in einer oder mehreren Spulen, die am Zündkerzenkopf montiert wurden, ein pulsartiges Magnetfeld aufzubauen, dass

a) die im Entladungsplasma vorhandenen Ladungsträger zusätzlich beschleunigt,
b) die Reaktionskinetik unter den Ladungsträgern im Plasma erhöht,
c) der bei einem Magnetfeld erzeugte Pinch-Effekt bei bestimmten Ladungsträgern eine gezielte Richtungslenkung des Zündplasmas ermöglicht und
d) damit eine bessere Verteilung des Zündplasmas im Brennraum bewirkt.

Die dabei frei werdenden Ladungsträger energetisieren das Brennstoffgemisch und man erreicht eine bessere Nutzung der Energieausbeute des Brennstoffgemisches.
Durchgeführte Versuche und Testmessungen haben eine Brennstoff-Verbrauchsminderung um 30% und eine Reduzierung von Abgaswerten um mehr als 80% gezeigt.
Die Werte D1 für den Außendurchmesser der Puls-Plasmaspule liegen vorzugsweise zwischen 3 mm und 10 mm. Bei bevorzugten Spulenmatierialdurchmessern D4 zwischen 0,3 mm und 1,2 mm errechnet sich ein Spulen-Innendurchmesser D2 zwischen 2,4 mm und 7,6 mm.
Die Anordnung, die Anzahl der Spulenwindungen, die Form und die Länge H einer Puls-Plasmaspule ist variabel und richtet sich nach dem jeweiligen Anwendungsfall.
Gemäß 2 verlaufen die Feldlinien der mittels jeder Spule aufgebauten Magnetfelder jeweils in Pfeilrichtung, wodurch auch die erfindungsgemäße Lage des Nordpols N und des Südpols S festgelegt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mittelelektrode aus einer mehradrig gedrillten Materialstruktur besteht, die am Ende entsprechend der Anordnung der Puls-Plasmaspulen geometrisch aufgespleist wird.

Claims

Zündkerze zur Plasmazündung brennstoffhaltiger Gemische, insbesondere in Verbrennungsmotoren und -turbinen, enthaltend eine Mittelelektrode (2) und eine Masseelektrode, gekennzeichnet durch mindestens eine mit ihrem einen Ende an Masse angeschlossene, aus elektrisch leitendem Material bestehende Spule (3), deren anderes Ende in einem ein Überspringen des Zündfunkens ermöglichenden Abstand die Masseelektrode bildet, und dass diese Spule derart im Bereich des Zündraums angeordnet ist, dass mindestens ein Magnetfeld erzeugt wird, um eine volumenmäßige Ausdehnung eines Zündfunkenplasmas zu bewirken.
Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine mit ihrer Achse in der Verlängerung der Zündkerzenachse liegende Spule (3) enthält, deren den Zündkontakt bildendes Ende als Ring-Polende (3.1) ausgebildet ist.
Zündkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode (2) mit ihrem den Zündkontakt bildenden Ende innerhalb der Spule (3) liegt.
Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelelektrode (2) mindestens zwei mit ihren Achsen radial nach außen gerichtete Spulen zugeordnet sind, deren außen liegenden Enden an Masse angeschlossen sind, und deren innere Enden an einen gemeinsamen, der Mittelelektrode (2) mit Abstand gegenüberliegenden Zündkontakt angeschlossen sind.
Zündkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Enden der Spulen an einen gemeinsamen, den Zündkontakt bildenden Polring angeschlossen sind.
Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode mindestens zwei Elektrodenzweige und entsprechend der Anzahl dieser Elektrodenzweige mindestens zwei Spulen enthält, deren innere Enden an Masse angeschlossen sind, und deren äußere Enden die Form von Zündkontakte bildenden Ring-Polenden haben, deren Durchmesser kleiner ist als der Spulendurchmesser und dass die Elektrodenzweige innerhalb der Spulen enden.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen aus einem Material bestehen, das ausgewählt ist aus der Gruppe von Nickel-Mangan-Silicium-Legierungen, Chromstahl, Nickel-Barium-, Nickel-Pollodium- und Nb-Legierungen, Platin oder vorzugsweise Wolfram.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode zumindest teilweise von einem Isoliermaterial umgeben ist.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule auf einen Zylinderkörper aus Isoliermaterial aufgewickelt ist.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule zumindest teilweise in einen Körper aus hochisolierendem, temperaturfestem Material eingegossen ist.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen aus einem Draht mit einem Durchmesser zwischen 0,3 mm und 1,2 mm gewickelt sind.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser jeder Spule einen Wert zwischen 3 mm und 10 mm und dass der Spuleninnendurchmesser einen Wert zwischen 2,4 mm und 7,6 mm hat.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule konisch verlaufend und/oder mehrlagig isoliert gewickelt ist.
Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelelektrode aus einer mehradrig gedrillten Materialstruktur besteht, die am Ende entsprechend der Anordnung der Spulen geometrisch aufgespleist wird.
Verfahren zur Plasmazündung brennstoffhaltiger Gemische, insbesondere in Verbrennungsmotoren und -turbinen unter Verwendung einer eine Mittelelektrode (2) und eine Masseelektrode aufweisenden Zündkerze, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens einer mit ihrem einen Ende an Masse angeschlossenen, aus elektrisch leitendem Material bestehenden Spule (3), deren anderes Ende die Masseelektrode bildet, während jedes Zündvorgangs mittels des Zündstroms im Bereich des Zündraumes mindestens ein Magnetfeld erzeugt wird, um eine volumenmäßige Ausdehnung des Zündfunkenplasmas zu bewirken.