DE102013110107A1

DE102013110107A1 - Systeme und Verfahren zur verbesserten Verbrennung

Info

Publication number: DE102013110107A1
Application number: DE201310110107
Authority: DE
Inventors: Yaru Najem Mendez Hernandez; Jorge Carretero BENIGNOS; Joerg Hermann Stromberger; Sean Craig Jenkins
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2014-04-03
Also published as: US20140090621A1; US9151252B2

Abstract

Es wird ein Verbrennungssystem (100) vorgestellt. Das Verbrennungssystem (100) umfasst eine hohle Verbrennungskammer (101) mit einem Kammerkopf (104), Kammerseitenwänden (102) und einem Kammerboden (106). Das Verbrennungssystem umfasst weiterhin ein Kraftstoffeinspritzventil (108), das mit der Verbrennungskammer (101) verkoppelt ist und ausgebildet ist, eine Vielzahl von Kraftstofftröpfchen (122) in die Verbrennungskammer (101) einzuleiten. Das Verbrennungssystem (100) umfasst außerdem eine erste Elektrode (116) und eine zweite Elektrode (118), die derart an der oder um die Verbrennungskammer (101) angeordnet sind, dass als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Signal ein elektromagnetisches Feld (302) zwischen der ersten Elektrode (116) und der zweiten Elektrode (118) erzeugt wird, und wobei das elektromagnetische Feld (302) ausgebildet ist, eine Bewegungsbahn der Vielzahl von Kraftstofftröpfchen (122) innerhalb der Verbrennungskammer (101) zu steuern.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Verbrennungsmotoren und insbesondere Systeme und Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Verbrennungsmotoren.
In den meisten Fahrzeugen oder Energieerzeugungssystemen wird ein Brennstoff in einem Motor verbrannt, um Wärmeenergie zu erzeugen. Die Wärmenergie kann in mechanische Energie oder elektrische Energie umgewandelt werden. Alternativ kann die Wärmeenergie dazu genutzt werden, um eine Schubkraft zum Bewegen eines Fahrzeugs bereitzustellen. Zum Verbrennen des Kraftstoffs kann der Motor eine Brennkammer oder Brennraum aufweisen, in die Druckluft (d. h., hohe Temperatur und hoher Druck) eingeleitet wird. Weiterhin kann ein Einspritzventil eingesetzt werden, um einen Kraftstoff, wie Kohlenstaub, Erdgas, verflüssigtes Propangas, Diesel, Kerosin oder Benzin in die Brennkammer einzuspritzen. In einigen Systemen kann sich der Kraftstoff aufgrund der hohen Temperaturen und des hohen Drucks der Druckluft selbst entzünden. Alternativ kann die Brennkammer einen Zünder aufweisen, wie etwa eine Zündkerze, um den Kraftstoff zu entzünden. Die Verbrennung des Kraftstoffs kann die Gase innerhalb der Brennkammer ausdehnen und dabei den Druck des Gases erhöhen und bewirken, dass die Gase mit Kraft durch einen Auslass der Brennkammer entweichen. Diese Kraft kann genutzt werden, um verschiede Teile des Motors zu bewegen, die Schubkraft bereitzustellen, um das Fahrzeug nach vorne zu treiben, oder elektrische Energie zu erzeugen.
Ingenieure haben versucht, die Kraftstoffeinspritzeigenschaften, wie die Spritzstrahl-Bewegungsbahn, den Spritzstrahldurchmesser, die Spritzstrahlgeschwindigkeit und/oder die Wechselwirkung zwischen dem Kraftstoffstrahl und den Seitenwänden der Brennkammer zu optimieren, um den Wirkungsgrad des Motors zu verbessern und Schadstoffemissionen zu reduzieren. Wenn der Kraftstoff derart eingespritzt wird, dass der Kraftstoff an den Seitenwänden der Brennkammer hängen bleibt, kann die Zündung des Kraftstoffs oder die Ausdehnung des Gases innerhalb der Brennkammer nicht optimal ablaufen. Weiterhin kann ein relativ kleiner Durchmesser des Spritzstrahls dazu führen, dass Kraftstofftröpfchen aneinander hängen bleiben und größere Tröpfchen bilden, die wiederum dazu führen, dass die Kraftstofftröpfchen zu unterschiedlichen Zeiten zünden, anstatt sich gleichzeitig zu entzünden. Der Spritzstrahldurchmesser ist im Allgemeinen repräsentativ für den Abstand zwischen den am weitesten voneinander entfernten Kraftstofftröpfchen entlang der am weitesten von dem Einspritzventil entfernten Ebene. Derzeit erhältliche Kraftstoffeinspritzventile stützen sich auf den Durchmesser der Düsen im Kraftstoffeinspritzventil, den Abstand und Positionierung der Düsen oder der Positionierung des Einspritzventils, um die Einspritzeigenschaften zu optimieren.
KURZBESCHREIBUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verbrennungssystem vorgestellt. Das Verbrennungssystem umfasst einen hohlen Verbrennungsraum mit einem Kammerkopf, Kammerseitenwänden und einem Kammerboden. Das Verbrennungssystem umfasst weiterhin ein Einspritzventil, das mit der Verbrennungskammer verkoppelt und ausgestaltet ist, um mehrere Kraftstofftröpfchen in die Verbrennungskammer einzuleiten. Zudem umfasst das Verbrennungssystem eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die an der oder um die Verbrennungskammer derart angeordnet sind, dass als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Signal ein elektromagnetisches Feld zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erzeugt wird, und wobei das elektrische Feld ausgebildet ist, eine Bewegungsbahn oder einen Spritzstrahldurchmesser der Vielzahl von Kraftstofftröpfchen innerhalb der Verbrennungskammer zu steuern.
Die erste Elektrode kann am Kammerkopf angeordnet werden und die zweite Elektrode wird an oder um eine oder mehrere Kammerseitenwände und den Kammerboden angeordnet.
Mindestens eines der oben genannten Verbrennungssysteme kann weiterhin einen Isolator aufweisen, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet und ausgebildet ist, die erste Elektrode von der zweiten Elektrode elektrisch zu isolieren.
In einem der oben genannten Verbrennungssysteme wird die erste Elektrode auf einem positiven oder einem negativen Potential gehalten, und die zweite Elektrode wird auf einem Massepotential gehalten.
In einem der oben genannten Verbrennungssysteme umfasst das angelegte elektrische Signal ein Gleichspannungssignal, ein niederfrequentes Wechselstromsignal oder ein hochfrequentes Wechselstromsignal.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird ein Verbrennungssystem vorgstellt. Das Verbrennungssystem umfasst eine Verbrennungskammer mit einem Kammerkopf, Kammerseitenwänden und einem Kammerboden. Das Verbrennungssystem umfasst ebenfalls ein Kraftstoffeinspritzventil, das mit der Verbrennungskammer verkoppelt ist und ausgebildet ist, Kraftstoff in die Verbrennungskammer zu kanalisieren, wo das Kraftstoffeinspritzventil wirksam mit einer Spannungsquelle verkoppelt und als erste Elektrode des Verbrennungssystems ausgebildet ist, wobei die Verbrennungskammer als eine zweite Elektrode des Verbrennungssystems ausgebildet ist, und wobei das Verbrennungssystem ausgebildet ist, als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Signal ein elektromagnetisches Feld zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zu erzeugen.
Das Verbrennungssystem kann weiterhin einen Isolator umfassen, der zwischen dem Kraftstoffeinspritzventil und der Verbrennungskammer angeordnet ist, um das Kraftstoffeinspritzventil von der Verbrennungskammer zu isolieren.
In einem der oben genannten Verbrennungssysteme kann die erste Elektrode auf einem positiven oder negativen Potential gehalten werden und die zweite Elektrode kann auf einem Massepotential gehalten werden.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern der Bewegungsbahn einer Vielzahl von Kraftstofftröpfchen innerhalb einer Verbrennungskammer vorgestellt. Das Verfahren umfasst das Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, die um die Verbrennungskammer angeordnet sind. Außerdem umfasst das Verfahren das Steuern der Bewegungsbahn der Vielzahl von Kraftstofftröpfchen innerhalb der Verbrennungskammer anhand einer Richtung und Stärke des elektromagnetischen Feldes.
Das Verfahren kann ferner umfassen: Elektrostatisches Aufladen von in die Verbrennungskammer eintretenden Kraftstofftröpfchen; und Steuern eines Spritzstrahldurchmessers der Vielzahl von Kraftstofftröpfchen anhand der Stärke des elektromagnetischen Feldes.
ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden verständlicher, wenn die folgende ausführliche Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen durchgehend in allen Zeichnungen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile kennzeichnen, wobei:
1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verbrennungssystems gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Darstellung eines anderen beispielhaften Verbrennungssystems gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung;
3A ist eine Vorderansicht des beispielhaften Verbrennungssystems von 2, die ein elektromagnetisches Feld darstellt, gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung;
3B ist eine Draufsicht des beispielhaften Verbrennungssystems von 2, die ein elektromagnetisches Feld darstellt, gemäß den Aspekten der vorliegenden Erfindung; und
4 ist ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Steuern einer Bewegungsbahn eines Kraftstoffs in einer Verbrennungskammer des beispielhaften Verbrennungssystems, gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen durch ein elektromagnetisches Feld gesteuerte Verbrennungssysteme. In den durch ein elektromagnetisches Feld gesteuerten Verbrennungssystemen der vorliegenden Erfindung bestimmt das elektromagnetische Feld die Eigenschaften des Kraftstoffstrahls, wie etwa dessen Bewegungsbahn, Teilchengröße, Gasstrom, Spritzstrahldurchmesser und daher den Wirkungsgrad des Motors. Zudem kann das elektromagnetische Feld auf chemische Reaktionen innerhalb Verbrennungssystems einwirken, um den Verbrennungsprozess zu verbessern und Abgase mit geringeren Emissionswerten zu erzeugen. Die Begriffe elektrisches Feld und elektromagnetisches Feld können in dieser Beschreibung durchweg austauschbar verwendet werden. Das elektrische Feld oder elektromagnetische Feld kann ebenfalls ein elektrostatisches Feld umfassen, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
1 stellt ein beispielhaftes Verbrennungssystem 100 dar. Das Verbrennungssystem 100 kann in einem Automobilmotor eingesetzt werden, wie etwa einem Verbrennungsmotor mit Diesel-Direkteinspritzung. Alternativ kann das Verbrennungssystem 100 in Strahltriebwerken, Gas- und Dampfturbinen-Kombinationskraftwerken, Gasturbinen, Kohlekraftwerken oder anderen derartigen Vorrichtungen eingesetzt werden, die eine Verbrennung von Kraftstoff zur Folge haben. Das Verbrennungssystem 100 kann beispielsweise in einer Gasturbine installiert werden, wo durch das Verbrennungssystem 100 ausgestoßene heiße Gase das Rotieren von Schaufeln der Gasturbine unterstützen.
Das Verbrennungssystem 100 von 1 kann eine Verbrennungskammer 101 umfassen. Das Verbrennungssystem 100 kann ebenfalls ein oder mehrere Kraftstoffeinspritzventile umfassen, wie ein Kraftstoffeinspritzventil 108. In einer Ausführungsform kann das Kraftstoffeinspritzventil 108 wirksam mit der Verbrennungskammer 101 verkoppelt werden. Außerdem kann das Kraftstoffeinspritzventil 108 ausgebildet sein, um Kraftstoff in die Verbrennungskammer 101 zu spritzen. In einigen Ausführungsformen kann das Verbrennungssystem 100 auch einen Zünder 110 umfassen, wie etwa eine Zündkerze, die mit der Verbrennungskammer 101 verkoppelt und ausgebildet ist, um den Kraftstoff zu zünden. Um Luft in die Verbrennungskammer 101 einzulassen kann das Verbrennungssystem 100 ein Einlassventil 112 aufweisen. Weiterhin, um Abgase aus der Verbrennungskammer 101 auszustoßen, kann das Verbrennungssystem 100 ebenfalls ein Auslassventil 114 aufweisen. Zusätzlich kann das Verbrennungssystem 100 eine erste Elektrode 116 und eine zweite Elektrode 118 aufweisen.
Weiterhin kann die Verbrennungskammer 101 Kammerseitenwände 102, einen Kammerkopf 104 und einen Kammerboden 106 aufweisen. In einer Ausführungsform können das Einlassventil 112 und das Auslassventil 114 an dem Kammerkopf 104 angeordnet werden. Alternativ kann das Einlassventil 112 am Kammerkopf 104 angeordnet werden, während das Auslassventil 114 am Kammerboden 106 angeordnet werden kann. Weiterhin kann der Kammerboden 106 an den Kammerseitenwänden 102 befestigt werden. In bestimmten anderen Fällen kann der Kammerboden 106 jedoch verschiebbar sein. Wenn beispielsweise das Verbrennungssystem 100 Teil eines Viertakt-Verbrennungsmotors ist, kann der Kammerboden 106 ein mit einer Kurbelwelle verkoppelter Kolben sein. In dieser Ausführungsform kann der Kolben zwischen einer oberen Stellung und einer unteren Stellung verschiebbar sein. Die obere Stellung kann eine Stellung des Kolbens darstellen, in der der Kolben dem Kammerkopf 104 am nächsten angeordnet ist, während die untere Stellung eine Stellung darstellen kann, in der der Kolben am weitesten weg von dem Kolbenkopf 104 angeordnet ist.
Darüber hinaus kann die Verbrennungskammer 101 (wechselweise als Kammer 101 bezeichnet) ein im Wesentlichen zylindrischer hohler Behälter sein. In anderen Ausführungsformen kann die Form der Kammer 101 variieren. Die Kammer 101 kann beispielsweise eine im Wesentlichen quaderförmige, rautenförmige, kegelförmige oder vielflächige Form aufweisen. Es versteht sich, dass die Kammer 101 auch eine unregelmäßige Form aufweisen kann, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Kammer 101 kann ebenfalls ausgebildet sein, um hohen Temperaturen im Bereich von 100°C bis ungefähr 1500°C und Drücken im Bereich von ungefähr 0,01 MPa bis ungefähr 150 MPa zu widerstehen. Demzufolge kann die Kammer unter Verwendung von hitze- und druckbeständigen Materialien ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Kammer 101, einschließlich dem Kammerkopf 104, den Kammerseitenwänden 102 und dem Kammerboden 106 aus Gusseisen, Stahl, Eisen, Glas und dergleichen ausgebildet werden.
Wie zuvor beschrieben kann das Verbrennungssystem 100 das Kraftstoffeinspritzventil 108 umfassen. Das Kraftstoffeinspritzventil 108 kann ein elektronisches oder mechanisches Ventil umfassen, das ausgebildet ist, um Kraftstofftröpfchen 122 in der Form eines feinen Nebels oder Spritzstrahls in die Verbrennungskammer 101 einzuspeisen. Es versteht sich, dass der Kraftstoff in der Form von flüssigen Partikeln, gasförmigen Partikeln oder festen Partikeln auftreten kann. Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff Tröpfchen 122 auf Kraftstoffe wie, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, flüssige, gasförmige und feste pulverförmige Partikel. Um den Nebel zu erzeugen kann ein Ende des Kraftstoffeinspritzventils 108 eine oder mehrere Düsen umfassen, durch die druckbeaufschlagter Kraftstoff in die Kammer 101 freigegeben wird. Das andere Ende des Kraftstoffeinspritzventils 108 kann mit einem Kraftstoffbehälter oder einer Kraftstoffpumpe (nicht gezeigt) verkoppelt werden, die den druckbeaufschlagten Kraftstoff an das Kraftstoffeinspritzventil fördert. Während des Betriebs kann es erwünscht sein, dass das Kraftstoffeinspritzventil 108 mehrmals Kraftstofftröpfchen 122 in einem bestimmten Zeitraum einspritzt.
Gemäß bestimmter Aspekte der vorliegenden Beschreibung kann eine Steuerung 119 eingesetzt werden, um den Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils 108 zu steuern. Die Steuerung 119 kann eine elektrische Steuerung, eine elektronische Steuerung, eine mechanische Steuerung, eine elektromechanische Steuerung oder Kombinationen davon sein. Außerdem kann die Steuerung 119 wirksam mit dem Kraftstoffeinspritzventil 108 verkoppelt werden. Um die richtige Menge an Tröpfchen 122 bereitzustellen, kann die Steuerung 119 Eingaben von mehreren Sensoren (nicht gezeigt) empfangen. Einige beispielhafte Sensoren umfassen Sauerstoffsensoren, um die Sauerstoffmenge im Abgas zu überwachen, Drosselklappenpositionssensoren, um die in die Kammer 101 eingespeiste Luftmenge zu bestimmen, und Kühlmittelsensoren, um zu bestimmen, wann der Motor die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat. Andere Sensoren können Spannungs- oder Stromsensoren umfassen, um die Spannung oder den Strom in einem Fahrzeug, einem Motor, ein Strahltriebwerk oder dergleichen zu überwachen, und Ladedrucksensoren, um den Druck der Luft in einem Ansaugstutzen zu überwachen. Abhängig von den empfangenen Eingaben kann die Steuerung 119 konfiguriert werden, um die angemessene Menge an zuzuführendem Kraftstoff und/oder die Häufigkeit der Kraftstoffzufuhr zu bestimmen. Außerdem kann die Steuerung 119 konfiguriert werden, um den Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils 108 anhand der bestimmten Kraftstoffmenge und/oder Häufigkeit der Kraftstoffzufuhr zu steuern.
Weiterhin kann in bestimmten Ausführungsformen das Kraftstoffeinspritzventil 108 mit dem Kammerkopf 104 verkoppelt werden. Alternativ kann das Kraftstoffeinspritzventil 108 mit den Kammerseitenwänden 102 verkoppelt werden. Falls das Verbrennungssystem 100 beispielsweise Teil eines Automobilverbrennungsmotors ist, kann das Kraftstoffeinspritzventil 108 mit dem Kammerkopf 104 der Kammer 101 verkoppelt werden. Alternativ dazu, falls das Verbrennungssystem 100 Teil eines Turbostrahltriebwerks ist, kann das Kraftstoffeinspritzventil 108 mit den Kammerseitenwänden 102 verkoppelt werden. Weiterhin, falls das Kraftstoffeinspritzventil 108 mit dem Kammerkopf 104 verkoppelt ist, kann das Kraftstoffeinspritzventil 108 im Wesentlichen in der Mitte des Kammerkopfs 104 positioniert werden. In anderen Fällen kann das Kraftstoffeinspritzventil 108 jedoch außermittig positioniert werden. In Fällen einer außermittigen Positionierung kann das Kraftstoffeinspritzventil 108 derart abgewinkelt werden, dass wenn der Kraftstoff von dem Kraftstoffeinspritzventil 108 eingespritzt wird, der Kraftstoffstrahl im Wesentlichen in Richtung der Mitte der Kammer 101 gerichtet wird. Gleichermaßen, falls das Kraftstoffeinspritzventil 108 mit den Kammerseitenwänden 102 verkoppelt ist, kann das Kraftstoffeinspritzventil 108 abgewinkelt werden, um den Kraftstoff in Richtung der Mitte der Kammer 101 zu spritzen.
Der Zünder 110 kann eine Zündkerze umfassen, die ausgebildet ist, um elektrischen Strom von einem Zündsystem an die Verbrennungskammer 101 zu liefern, um das komprimierte Kraftstoff/Luftgemisch mittels eines elektrischen Funkens zu zünden. Dazu kann die Zündkerze einen Metallmantel aufweisen, der durch einen Isolator (nicht gezeigt) von einer Mittelelektrode elektrisch isoliert wird. Der Metallmantel kann elektrisch geerdet werden. Die Mittelelektrode kann durch den Isolator in die Verbrennungskammer 101 ragen und dabei einen Zündspalt zwischen dem inneren Ende der Mittelelektrode und einem oder mehreren am inneren Ende des Metallmantels angebrachten Vorsprüngen oder Strukturen bilden. In bestimmten Ausführungsformen können der eine oder die mehreren Vorsprünge die Masseelektrode(n) darstellen. Die Zündkerze arbeitet somit indem kleine, elektrische Funken hoher Spannung quer über den Spalt zwischen den zwei Elektroden abgegeben werden. Der Funke zündet das Luft-Kraftstoffgemisch in der Verbrennungskammer 101. Im Falle eines Automobilmotors kann die Verbrennung zu einer gesteuerten Explosion führen, die den Kolben in Richtung des Bodens der Kammer 101 zwingt und dabei die zur Bewegung des Automobils benötigte Kraft erzeugt.
Zudem kann der Zünder 110 derart positioniert werden, dass der Zündspalt mit dem komprimierten Luft/Kraftstoffgemisch innerhalb der Kammer 101 in Verbindung steht. Der Zünder 110 kann beispielsweise mit dem Kammerkopf 104 in der Nähe des Kraftstoffeinspritzventils 108 verkoppelt werden. Alternativ kann der Zünder 110 mit den zu dem Kraftstoffeinspritzventil 108 benachbarten oder gegenüberliegenden Kammerseitenwänden 102 verkoppelt werden. Es versteht sich, dass in bestimmten Ausführungsformen des Verbrennungssystems 100 die Verwendung des Zünders 110 umgangen werden kann. In solchen Ausführungsformen kann die Temperatur der komprimierten Luft hoch genug sein, um den Kraftstoff automatisch zu verbrennen, sobald der Kraftstoff in die Kammer 101 eingespritzt wird.
Gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Beschreibung können die erste Elektrode 116 und die zweite Elektrode 118 um die Verbrennungskammer 101 angeordnet werden. Insbesondere kann in einer Ausführungsform die erste Elektrode 116 ein oder mehrere leitfähige Elemente aufweisen, die entlang des Kammmerkopfs 104 derart angeordnet sind, dass ein Teil der ersten Elektrode 116 sich außerhalb der Kammer 101 erstreckt, während ein Teil der ersten Elektrode 116 innerhalb der Kammer 101 angeordnet ist. Gleichermaßen kann die zweite Elektrode 118 ein oder mehrere elektrisch leitfähige Elemente umfassen, die derart entlang des Kammerbodens 106 angeordnet sind, dass die zweite Elektrode 118 mindestens teilweise innerhalb der Kammer 101 und teilweise außerhalb der Kammer 101 angeordnet ist. Falls die Verbrennungskammer 101 aus einem Metallwerkstoff besteht, können ein oder mehrere Isolatoren 120 zwischen den Elektroden 116, 118 angeordnet werden, um die erste Elektrode 116 von der zweiten Elektrode 118 elektrisch zu isolieren.
Weiterhin, anstatt eigenständige Elektroden einzusetzen, können gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Beschreibung Elemente des Verbrennungssystems 100 als erste Elektrode 116 und zweite Elektrode 118 ausgebildet werden. In der momentan betrachteten Ausgestaltung eines Verbrennungssystems kann das Kraftstoffeinspritzventil 108 als die erste Elektrode 116 ausgebildet werden und die Verbrennungskammer 101 kann als die zweite Elektrode 118 ausgebildet werden. 2 ist eine schematische Darstellung 200 einer anderen Ausführungsform des Verbrennungssystems 100 von 1, wobei das Kraftstoffeinspritzventil 108 als die erste Elektrode 116 ausgebildet ist und die Verbrennungskammer 101 ist als die zweite Elektrode 118 ausgebildet. Es versteht sich, dass aufgrund dessen dass die meisten Verbrennungskammern 101 aus metallischen Materialien bestehen und deshalb ein elektrischer Leiter sein können, andere Elemente der Verbrennungskammer 101 ebenfalls als erste und zweite Elektroden 116, 118 genutzt werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. In der Ausführungsform von 2 ist das Kraftstoffeinspritzventil 108 als die erste Elektrode ausgebildet oder stellt die erste Elektrode 116 dar, und die Verbrennungskammer 101 ist ausgebildet als die zweite Elektrode oder stellt die zweite Elektrode 118 dar. Es versteht sich, dass diese Anordnung beispielhaft ist und andere Elemente der Verbrennungskammer 101 die erste und zweiten Elektrode 116, 118 darstellen können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann der Kammerkopf 104 und/oder können die Kammerseitenwände 102 als erste Elektrode 116 ausgebildet werden, und der Kammerboden 106 und/oder die Kammerseitenwände 102 können als die zweite Elektrode 118 ausgebildet werden. Alternativ kann das Einlassventil 112 oder das Auslassventil 114 als erste Elektrode 116 ausgebildet werden und der Kammerboden 106 kann als die zweite Elektrode 118 ausgebildet werden.
Weiter Bezug nehmend auf 2 kann die erste Elektrode 116 auf einem hohen Potential gehalten werden, während die zweite Elektrode 118 auf Masse gehalten werden kann. Entsprechend kann in dem Beispiel in 2 das Kraftstoffeinspritzventil 108 auf einem hohen Potential gehalten werden indem ein elektrisches Signal von hohem Potential (im Bereich von hundert Volt bis 100 KV) an das Kraftstoffeinspritzventil 108 gegeben wird. Die Verbrennungskammer 101 kann geerdet werden. Alternativ kann die Verbrennungskammer 101 auf einem elektrischen Potential gehalten werden, das der Höhe des hohen Potentials des Kraftstoffeinspritzventils 108 entspricht, jedoch entgegengesetzte Polarität besitzt. Weiterhin kann das Kraftstoffeinspritzventil 108 elektrisch von der Verbrennungskammer 101 durch einen oder mehrere Isolatoren, wie einen Isolator 120, isoliert werden. Beispielsweise können Keramik-, Porzellan-, Gummi-, Holz- oder Glasisolatoren genutzt werden. In einer Ausführungsform kann der Isolator 120 als Ring oder Hohlzylinder geformt werden, der zwischen dem Kraftstoffeinspritzventil 108 und der Kammer 101 angeordnet wird. Alternativ kann der Isolator 120 jede beliebige Form oder Größe aufweisen, die geeignet ist, eine elektrische Barriere zwischen dem Kraftstoffeinspritzventil 108 und der Verbrennungskammer 101 zu bilden. Der Isolator 120 kann ausgebildet werden, um das Kraftstoffeinspritzventil 108 (d. h., die erste Elektrode 116) von der Kammer 101 (d. h., der zweiten Elektrode) elektrisch zu isolieren.
Es sollte angemerkt werden, dass in der vorliegenden Beschreibung die erste Elektrode 116 auf einem positiven Potential gehalten wird, während die zweite Elektrode 118 auf Masse gehalten wird. Es versteht sich, dass eine derartige Auswahl lediglich vorgenommen wird, um bestimmte Aspekte der vorliegenden Erfindung zu beschreiben und nicht, um den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken. Darüber hinaus versteht es sich, dass verschiedene andere Kombinationen von Elektrodenpotentialen in Betracht kommen, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann die erste Elektrode 116 auf einem negativen Potential gehalten werden, während die zweite Elektrode 118 auf einem positiven Potential gehalten werden kann. Alternativ kann die erste Elektrode 116 auf einem positiven Potential gehalten werden und die zweite Elektrode 118 kann auf einem negativen Potential gehalten werden. In einigen Ausführungsformen kann das Potential der ersten und zweiten Elektroden 116, 118 periodisch gewechselt werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Weiterhin, wenn ein elektrisches Signal hoher Spannung an die erste Elektrode 116 und/oder die zweite Elektrode 118 angelegt wird, kann ein elektromagnetisches Feld zwischen der ersten und zweiten Elektrode 116, 118 erzeugt werden. 3A und 3B stellen ein beispielhaftes elektromagnetisches Feld dar, das zwischen der ersten und zweiten Elektrode 116, 118 erzeugt wird. Insbesondere ist 3A eine schematische Darstellung einer Ansicht 300 der Verbrennungskammer 101 und 3B ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht 320 der Verbrennungskammer 101. In den 3A und 3B wird die erste Elektrode 116 (d. h., das Kraftstoffeinspritzventil 108) auf einem positiven Potential gehalten, während die zweite Elektrode 118 (d. h., die Verbrennungskammer 101) geerdet wird. Entsprechend erstreckt sich das elektromagnetische Feld (schematisch durch die Referenzziffer 302 dargestellt) von der ersten Elektrode 116 zur zweiten Elektrode 118. Demzufolge strahlen die elektromagnetischen Feldlinien 302 vom Kraftstoffeinspritzventil 108 aus in Richtung des Kammerkopfs 102, der Kammerseitenwände 104 und des Kammerbodens 106.
Außerdem kann die Stärke des elektromagnetischen Felds 302 von einer Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 118 abhängen. Je höher beispielsweise die Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 116, 118 ist, umso größer ist die Stärke des elektromagnetischen Felds 302. Zusätzlich kann die Form des elektromagnetischen Felds 302 zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 118 von der Geometrie der elektrisch leitfähigen Elemente der ersten und zweiten Elektrode 116, 118 abhängen. Beispielsweise können nadelförmige leitfähige Elemente ein konzentrierteres elektrisches Feld erzeugen, das in Richtung auf die Mitte der Kammer 101 ausgerichtet ist. Parallele plattenförmige leitfähige Elemente hingegen können ein elektrisches Feld erzeugen, das sich gleichmäßig um die Kammer 101 ausbreitet. Somit kann abhängig von einer gewünschten Form des elektromagnetischen Felds 301 die Form der ersten und zweiten Elektrode 116, 118 variiert werden.
Zufolge des Anlegens des elektrischen Signals hoher Spannung an dem Kraftstoffeinspritzventil 108 können zudem die Kraftstofftröpfchen 122, die aus dem Kraftstoffeinspritzventil 108 austreten und in die Kammer 101 eintreten, durch das hohe Potential der ersten Elektrode 116 elektrostatisch aufgeladen werden. Die Kraftstofftröpfchen 122 können beispielsweise in positive und negative Ionen ionisiert werden, wodurch die Größe der Kraftstofftröpfchen 122 reduziert wird. Die aufgeladenen Kraftstofftröpfchen 122 können nachfolgend einer durch das elektromagnetische Feld 302 bestimmten Bewegungsbahn folgen oder dadurch beeinflusst werden. Da das elektromagnetische Feld 302 zwischen dem Kraftstoffeinspritzventil 108 und der Kammer 108 vorliegt, können in den Ausführungsformen der 3A und 3B die aufgeladenen Kraftstofftröpfchen 122 gleichmäßig in Richtung des negativen Potentials wandern, d. h., in Richtung des Kammerkopfs 102, der Kammerseitenwände 104 und des Kammerbodens 106. Eine solche Bewegung oder Bewegungsbahn der Kraftstofftröpfchen 122 erhöht einen Spritzstrahldurchmesser der eingespritzten Kraftstofftröpfchen. Der Begriff Spritzstrahldurchmesser, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf den Abstand der am weitesten voneinander entfernten Tröpfchen in einer am weitesten vom Kraftstoffeinspritzventil 108 entfernten Ebene. Außerdem kann der Spritzstrahldurchmesser auch vergrößert werden, da die aus dem Kraftstoffeinspritzventil 108 austretenden ionisierten Kraftstofftröpfchen alle auf das im Wesentlichen selbe Potential aufgeladen werden können. Insbesondere, da alle Kraftstofftröpfchen 122 ein im Wesentlichen gleiches Potential haben, können sich diese Kraftstofftröpfchen 122 voneinander abstoßen und dabei den Spritzstrahldurchmesser vergrößern.
Des Weiteren kann die Ionisierung der Kraftstofftröpfchen 122 beliebige chemische Reaktionen beeinflussen, die zwischen dem Kraftstoff und der Luft, zwischen einem Verbrennungsprodukt und der Luft, oder zwischen dem Kraftstoff und dem Verbrennungsprodukt innerhalb der Verbrennungskammer 101 auftreten können. Das Verbrennungsprodukt kann repräsentativ für nach der Verbrennung erhaltene chemische Verbindungen oder Mischungen sein. Durch Ionisieren der Kraftstofftröpfchen 122 in einzelnen Ionen kann das beispielhafte Verbrennungssystem 100 der vorliegenden Beschreibung chemische Reaktionen unterstützen, die zu einer reibungsloseren und effizienteren Verbrennung führen können. Eine derartige effiziente Verbrennung kann zum Freisetzen von Abgasen mit niedrigeren Emissionswerten führen.
Außerdem können flüssige Kraftstofftröpfchen 122 aufgrund der Coulomb-Spaltung in kleinere sekundäre Tröpfchen getrennt werden. Bei einer Coulomb-Spaltung sind hoch aufgeladene „primäre Tröpfchen” einem fortlaufenden Zerfall aufgrund der Instabilität der aufgeladenen primären Tröpfchen ausgesetzt. Die Instabilität der Ladung der primären Tröpfchen kann zu einer Vielzahl von kleineren sekundären Tropfen führen. Darüber hinaus kann eine Spaltung in Tröpfchen auftreten, die bis zur Rayleigh-Grenze geladen sind. Dadurch können Kraftstofftröpfchen 122, die bis zur Rayleigh-Grenze der Tröpfchen aufgeladen werden, weiter in kleinere sekundäre Tröpfchen gespalten werden. Eine solche Aufteilung von primären Tröpfchen in sekundäre Tröpfchen reduziert die Größe der Tröpfchen weiter und führt demzufolge zu einer besseren Verbrennung des Kraftstoffs. Gasförmige oder feste Kraftstofftröpfchen 122 können andererseits eine teilweise Entladung innerhalb der Kammer 101 verursachen. Darüber hinaus kann es sein, dass im Falle von gasförmigen und festen Kraftstofftröpfchen 122, die Coulomb-Spaltung nicht auftritt, und diese Kraftstofftröpfchen 122 können lediglich durch die elektrostatische Ladung der ersten Elektrode 116 ionisiert werden.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Beschreibung kann die Positionierung der zweiten Elektrode 118 gesteuert werden, um die Bewegungsbahn und/oder den aus dem Kraftstoffeinspritzventil 108 austretenden Spritzstrahldurchmesser der Kraftstofftröpfchen 122 zu bestimmen. Wenn beispielsweise die zweite Elektrode 118 am Kammerboden 106 direkt gegenüber dem Kraftstoffeinspritzventil 108 angeordnet wird, kann das so innerhalb der Verbrennungskammer 101 erzeugte elektromagnetische Feld 302 die Kraftstofftröpfchen 122 in Richtung des Kammerbodens 106 und weg von den Kammerseitenwänden 104 führen und dabei den Spritzstrahldurchmesser der Kraftstofftröpfchen reduzieren. Alternativ dazu, wenn die gesamte Verbrennungskammer 101 als zweite Elektrode 118 ausgebildet wird, können die aus dem Kraftstoffeinspritzventil 108 austretenden Tröpfchen 122 sich in Richtung des Kammerkopfs, der Kammerseitenwände 102 und des Kammerbodens 106 ausbreiten und dabei den Spritzstrahldurchmesser vergrößern.
Weiterhin kann die elektrische Spannungsfestigkeit der ersten Elektrode 116 und/oder der zweiten Elektrode 118 die Stärke des elektromagnetischen Felds 302 regeln. Demzufolge kann gemäß den Aspekten der vorliegenden Beschreibung die Stärke des elektromagnetischen Felds 302 eingesetzt werden, um die Geschwindigkeit, mit der die Kraftstofftröpfchen 122 in die Kammer 101 eintreten, und den Spritzstrahldurchmesser der Kraftstofftröpfchen 122 zu regeln. Wenn beispielsweise die Stärke des elektromagnetischen Felds 302 sehr hoch ist, können die Tröpfchen 122 auf ein höheres Potential aufgeladen werden. Demzufolge können diese hoch aufgeladenen Kraftstofftröpfchen 122 mit einer höheren Geschwindigkeit in Richtung der zweiten Elektrode 118 wandern. Eine solche Bewegung kann dazu führen, dass die Tröpfchen 122 vor der Verbrennung weiter in die Verbrennungskammer 101 hineinreichen und somit einen größeren Spritzstrahldurchmesser haben. Wenn jedoch die Stärke des elektromagnetischen Felds 302 gering ist, können die Tröpfchen 122 auf ein geringeres Potential aufgeladen werden. Aufgrund der niedrigen Ladung können diese Tröpfchen 122 mit einer niedrigeren Geschwindigkeit in Richtung der zweiten Elektrode 118 wandern. Mit einer langsameren Bewegung können die Kraftstofftröpfchen 122 vor der Verbrennung einen wesentlich kürzeren Weg innerhalb der Kammer 101 zurücklegen und können einen kleineren Spritzstrahldurchmesser haben. Demgemäß können die Geschwindigkeit, mit der die Kraftstofftröpfchen 122 von der ersten Elektrode 116 zur zweiten Elektrode 118 wandern, und der Spritzstrahldurchmesser der Tröpfchen 122 verändert werden, indem die Stärke des elektromagnetischen Feldes 302 zwischen der ersten und zweiten Elektrode 116, 118 variiert wird.
In der in 3A dargestellten Ausführungsform kann der Kraftstoff, wenn er in die Kammer 101 eingespritzt wird, alle Stellen innerhalb der Kammer 101 gleichmäßig erreichen. Wenn der Kraftstoff entzündet kann demzufolge eine gleichmäßige Verbrennung stattfinden. Zudem, da sich der Kraftstoff in alle Richtungen ausbreitet, können die Kraftstofftröpfchen 122 nicht aneinander hängen bleiben, um größere Tröpfchen zu bilden. Stattdessen können sich gleich geladene Kraftstofftröpfchen gegenseitig abstoßen und dabei jegliches Aneinanderhaften oder Anhäufen verhindern. Dadurch können Kraftstofftröpfchen ähnlicher Größe gleichmäßiger und gleichzeitig während der Verbrennung verbrennen, was zu Abgasen mit niedrigeren Emissionswerten führt.
Weiterhin, gemäß anderen Aspekten der vorliegenden Beschreibung können die Bewegungsbahn und demzufolge der Spritzstrahldurchmesser der Kraftstofftröpfchen 122 gesteuert werden. Zum Beispiel kann die Bewegungsbahn der Kraftstofftröpfchen 122 geändert werden, indem das an die Elektroden 116, 118 angelegte elektrische Signal geändert wird. Beispielsweise kann das an dem Kraftstoffeinspritzventil 108 angelegte elektrische Signal erhöht werden. Diese Erhöhung des angelegten elektrischen Signals erhöht wiederum die Stärke des elektromagnetischen Felds 302. Infolgedessen kann diese Erhöhung der Stärke des elektromagnetischen Felds 302 genutzt werden, um den Spritzstrahldurchmesser der Kraftstofftröpfchen 122 zu erhöhen. Weiterhin ist die Erhöhung des Spritzstrahldurchmessers der Kraftstofftröpfchen 122 hilfreich beim Zünden und Ausnutzen von mehr Sauerstoff während des Verbrennungsprozesses. Alternativ kann das an der ersten Elektrode 116 angelegte Signal reduziert werden, wodurch die Stärke des elektromagnetischen Felds 302 vermindert wird. Infolgedessen wird der Spritzstrahldurchmesser der Kraftstofftröpfchen 122 reduziert. Diese Verringerung des Spritzstrahldurchmessers der Kraftstofftröpfchen 122 hilft zu verhindern, dass die Kraftstofftröpfchen 122 vor der Verbrennung an den Kammerseitenwänden 102 hängenbleiben und verstärken dabei die Verbrennung des Kraftstoffs in der Verbrennungskammer 101.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Beschreibung kann das an die erste Elektrode 116 und/oder die zweite Elektrode 118 angelegte Signal ein Gleichstrom(DC)-Signal sein. Alternativ kann das angelegte Signal ein Wechselstrom(AC)-Signal sein. Im Falle eines DC-Signals kann die Stärke des elektromagnetischen Feldes 302 und wiederum der Spritzstrahldurchmesser und die Bewegungsbahn der Kraftstofftröpfchen 122 auf einem konstanten Wert gehalten werden. Im Falle eines AC-Signals kann jedoch die Polarität des elektrischen Signals aufgrund der Frequenz des AC-Signals wechseln. Deshalb kann periodisch das Potential der ersten Elektrode 116 und/oder der zweiten Elektrode 118 zwischen einem positiven und einem negativen Potential wechseln. Durch solch ein an der ersten Elektrode 116 und/oder zweiten Elektrode 118 angelegtes variierendes elektrisches Signal kann das elektromagnetische Feld 302 ebenfalls periodisch wechseln. Dieser Wechsel des elektromagnetischen Felds 302 kann eingesetzt werden, um die Bewegungsbahn der Kraftstofftröpfchen 122 periodisch zu ändern. Ein derartiger Wechsel in der Bewegungsbahn des Kraftstoffs kann erwünscht sein in Fällen in denen eine gleichmäßige Ausbreitung des Kraftstoffs erwünscht ist.
Außerdem, im Falle dass das angelegte elektrische Signal ein AC-Signal ist, kann das elektrische Signal ein niederfrequentes AC-Signal oder ein hochfrequentes AC-Signal sein. Niederfrequente AC-Signale können sinusförmige, dreieckige, sägezahnförmige oder Rechteckwellen-Signale mit einer Frequenz von weniger als 100 Hz sein. Hochfrequente AC-Signale können eine Frequenz von höher als 100 Hz aufweisen. Zudem, im Falle eines AC-Signals kann das elektrische Signal ein sinusförmiges Signal, ein Rechteckwellensignal oder ein Sägezahnsignal sein. Beliebige andere Signale können ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung berücksichtigt werden.
Die Kraftstofftröpfchen 122 und der in Bezug auf die 1 und 2 beschriebene Kraftstoff kann flüssigen Kraftstoff, festen Kraftstoff und/oder gasförmigen Kraftstoff umfassen. Einige beispielhafte Kraftstoffe können Dodecan, Ottokraftstoff, Kerosin, Benzin, Methan, Erdgas, Flüssigerdgas, flüssiges Propangas, Kohle, Lignit, Holzkohle und dergleichen umfassen. Es versteht sich, dass diese flüssigen, festen oder gasförmigen Kraftstoffe lediglich beispielhaft sind und beliebige andere brennbare Flüssigkeiten, Feststoffe oder Gase in dem Verbrennungssystem 100 eingesetzt werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
4 ist ein Ablaufdiagramm 400, das ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern der Bewegungsbahn eines Kraftstoffs innerhalb einer Verbrennungskammer, wie der Verbrennungskammer 101 (siehe 1) darstellt. Das Verfahren 400 wird mit Bezug auf die 1–3 beschrieben. Das Verfahren beginnt bei Schritt 402, wo ein elektromagnetisches Feld 301 innerhalb der Verbrennungskammer 101 erzeugt wird. Dazu kann in einem Beispiel eine erste Elektrode 116 am Kraftstoffeinspritzventil 108 angeordnet werden. Zusätzlich kann die zweite Elektrode 118 an der Verbrennungskammer 101 angeordnet werden. Alternativ kann das Kraftstoffeinspritzventil 108 als erste Elektrode 116 ausgebildet werden, während die Verbrennungskammer 101 als zweite Elektrode 118 ausgebildet sein kann. Weiterhin kann ein elektrisches Signal, wie etwa ein DC-Signal oder ein AC-Signal an die erste und/oder zweite Elektrode 116, 118 angelegt werden, um eine Potentialdifferenz zwischen der ersten und zweiten Elektrode 116, 118 zu schaffen und demzufolge ein elektromagnetisches Feld 302 zu erzeugen.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Beschreibung können verschiedene Parameter des elektromagnetischen Felds 302, wie etwa, die Stärke, Richtung und Form des elektromagnetischen Felds 302, gesteuert werden. Die Stärke des elektromagnetischen Felds 302 kann durch Ändern der Spannung des angelegten elektrischen Signals gesteuert werden. Eine höhere Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 116, 118 kann beispielsweise zu einem stärkeren elektromagnetischen Felds führen. In ähnlicher Weise kann die Richtung des elektromagnetischen Felds 302 durch Ändern der Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 116, 118 gesteuert werden. Wenn beispielsweise die erste Elektrode 116 auf einem positiven Potential und die zweite Elektrode 118 auf einem negativen Potential gehalten wird, können die elektrischen Kraftlinien von der ersten Elektrode 116 zur zweiten Elektrode 118 fließen. Alternativ dazu, wenn die erste Elektrode 116 auf einem negativen Potential und die zweite Elektrode 118 auf einem positiven Potential gehalten wird, können die elektrischen Kraftlinien von der zweiten Elektrode 118 zur ersten Elektrode 116 fließen. Zudem kann durch Nutzung eines AC-Signals die Richtung des elektromagnetischen Felds 302 periodisch geändert werden. In ähnlicher Weise kann die Form des elektromagnetischen Feldes 302 durch Abänderung der Geometrie und Position der ersten und zweiten Elektrode 116, 118 gesteuert werden. Beispielsweise können nadelförmige elektrisch leitfähige Elemente der ersten und/oder zweiten Elektrode 116, 118 zu konzentrierteren elektromagnetischen Feldern führen, während plattenförmige leitfähige Elemente zu weiter ausgebreiteten elektromagnetischen Feldern führen.
Auch kann die zweite Elektrode 118 an jeder beliebigen Stelle an der Verbrennungskammer 101 angeordnet werden. Beispielsweise kann die zweite Elektrode 118 mit dem Kammerboden 106 verkoppelt werden. In solch einem Falle kann der Kammerboden 106 von den Kammerseitenwänden 102 und dem Kammerkopf 104 durch Einsatz eines geeigneten Isolators elektrisch isoliert werden.
Anschließend können die Kraftstofftröpfchen 122 in die Verbrennungskammer 101 eingeführt werden, wie durch Schritt 404 aufgezeigt. Wie zuvor mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben kann das Kraftstoffventil 108 ausgebildet werden, um die Kraftstofftröpfchen 122 in die Kammer 101 einzuführen. Zudem kann das Kraftstoffeinspritzventil 108 mit einem Kraftstoffbehälter (nicht gezeigt) über eine Verbindungsleitung verkoppelt werden, die den Kraftstoff vom Kraftstoffbehälter zum Kraftstoffeinspritzventil 108 fördert. Weiterhin kann das Kraftstoffeinspritzventil 108 ausgebildet werden, um den Kraftstoff in kleine Tröpfchen aufzuspalten und diese Tröpfchen gesteuert in die Kammer 101 einzuspritzen. Beispielsweise kann das Kraftstoffeinspritzventil 108 so ausgebildet werden, dass es basierend auf den Bedingungen innerhalb der Verbrennungskammer 101 und/oder der Qualität des Abgases, Anweisungen empfangen kann, die den Zeitpunkt und/oder die Menge der Kraftstoffzufuhr an die Verbrennungskammer steuern. Während der Kraftstoff aus den Düsen des Kraftstoffeinspritzventils 108 entweicht, kann der Kraftstoff in kleine Tröpfchen aufgespalten werden.
Wie zuvor beschrieben kann das hohe Potential an der ersten Elektrode 116 (d. h. dem Kraftstoffeinspritzventil 108) die Ionisierung der in das Kraftstoffeinspritzventil 108 eingespritzten Kraftstofftröpfchen 122 unterstützen. Beispielsweise können die Kraftstofftröpfchen 122 in positive und negative Ionen ionisiert werden. Zudem können aufgrund der Höhe der auf den Kraftstofftröpfchen 122 aufgebrachten Ladung die Kraftstofftröpfchen 122 aufgrund der Coulomb-Spaltung weiter in kleinere sekundäre Tröpfchen aufgetrennt werden. In anderen Ausführungsformen kann die Bildung von Ionen in den Kraftstofftröpfchen 122 zu chemischen Reaktionen führen, die sich von den chemischen Reaktionen unterscheiden können, die im Falle von nicht-ionisierten Kraftstofftröpfchen 122 möglich sind. Weiterhin können solche chemische Reaktionen eine effizientere Verbrennung fördern. Beispielsweise können die ionisierten Kraftstofftröpfchen 122 während der Verbrennung eine größere Emission von ultravioletten (UV) Photonen fördern, was wiederum zu einer reibungsloseren und effizienteren Verbrennung führen kann.
Im Schritt 406 kann die Bewegungsbahn der Kraftstofftröpfchen 122 innerhalb der Kammer 101 anhand des elektromagnetischen Feldes 302 zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 116, 118 gesteuert werden. Insbesondere kann die Bewegungsbahn der Kraftstofftröpfchen 122 innerhalb der Verbrennungskammer 101 anhand einer Richtung und Größe des elektromagnetischen Feldes 302 gesteuert werden. Beispielsweise folgen die Kraftstofftröpfchen 122 den durch das elektromagnetische Feld 302 zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 118 geschaffenen elektrischen Kraftlinien. Da das elektromagnetische Feld 302 zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 118 (d. h., zwischen dem Kraftstoffeinspritzventil 108 und der Verbrennungskammer 101) vorhanden ist, können außerdem gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Beschreibung elektrische Kraftlinien zwischen dem Kraftstoffeinspritzventil 108 und der Verbrennungskammer 101 vorhanden sein. Somit können die Kraftstofftröpfchen 122 vor der Verbrennung in allen Richtungen zu unterschiedlichen Abschnitten der Verbrennungskammer 101 wandern.
Im Falle dass die zweite Elektrode 118 an einem bestimmten Abschnitt der Verbrennungskammer 101 (z. B. dem Kammerboden 106) in der Form von mehreren nadelförmigen, elektrisch leitfähigen Elementen positioniert wird, können die elektrischen Kraftlinien in einem zielgerichteten Feld von der ersten Elektrode 116 in Richtung des Kammerbodens 106 wandern. In diesem Fall können die Kraftstofftröpfchen 122 in einer gezielteren Bewegungsbahn und mit einem relativ kleinen Spritzstrahldurchmesser in Richtung des Kammerbodens 106 wandern. In den herkömmlichen Kraftstoffeinspritzsystemen führen kleine Spritzstrahldurchmesser zu einem Zusammenschluss von Kraftstofftröpfchen in größere Tröpfchen. Gemäß den Aspekten der vorliegenden Beschreibung können sich die Kraftstofftröpfchen 122 jedoch selten zu größeren Tröpfchen zusammenschließen, da die Kraftstofftröpfchen 122 ionisiert werden. Daher bleiben die Kraftstofftröpfchen selbst bei einer gezielteren Bewegungsbahn relativ klein und fördern dabei die Verbrennung des Kraftstoffs in der Verbrennungskammer 101. Wie zuvor beschrieben kann diese Erscheinung auftreten, da die Kraftstofftröpfchen 122 auf im Wesentlichen gleiche Potentiale aufgeladen werden und sich diese ähnlich geladenen Tröpfchen gegenseitig abstoßen.
Wie zuvor beschrieben kann zusätzlich die Höhe der Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 118 genutzt werden, um die Geschwindigkeit, mit der die Kraftstofftröpfchen 122 in Richtung der zweiten Elektrode 118 wandern, und den Spritzstrahldurchmesser des Kraftstoffstrahls zu steuern. Je höher die Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 118 ist, umso schneller ist die Geschwindigkeit, mit welcher die Kraftstofftröpfchen 122 in Richtung der zweiten Elektrode 118 wandern. Gleichermaßen kann eine höhere Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 116, 118 zu einem größeren Spritzstrahldurchmesser führen. In einigen Ausführungsformen kann das elektromagnetische Feld 302 ein sich änderndes Feld (im Falle eines AC-Signals) sein, das die Bewegungsbahn der Kraftstofftröpfchen 122 mit der Zeit ändern kann und dabei den Kraftstofftröpfchen ermöglicht, sich gleichmäßig in der gesamten Verbrennungskammer 101 für eine effektivere Verbrennung auszubreiten.
Demgemäß kann das elektrostatisch aufgeladene Verbrennungssystem 100 der vorliegenden Beschreibung ausgebildet werden, die Bewegungsbahn der in die Verbrennungskammer 101 eintretenden Kraftstofftröpfchen 122 zu steuern. Durch Steuern der Bewegungsbahn der Kraftstofftröpfchen 122 kann zudem das elektrostatisch aufgeladene Verbrennungssystem 100 außerdem dazu ausgebildet werden, den Spritzstrahldurchmesser des vor der Verbrennungsphase in die Verbrennungskammer 101 eingespritzten Kraftstoffs zu steuern. Weiterhin kann die Höhe der Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 118 geändert werden, um die Zeit zu steuern, die von den Kraftstofftröpfchen 122 gebraucht wird, um vor der Verbrennung verschiedene Abschnitte der Kammer 101 zu erreichen. Eine derartige Steuerung hilft der beispielhaften Verbrennungskammer 101 die Qualität des aus der Verbrennungskammer 101 austretenden Abgases zu steuern. Da Ausführungsformen des Verbrennungssystems 100 ausgebildet werden können, um die Kraftstofftröpfchen in Bereiche der Verbrennungskammer 101 zu führen, die normalerweise nicht genug Kraftstoff vor der Verbrennung erhalten, kann der Kraftstoff vollständiger verbrannt werden und dabei Abgase freisetzen, die niedrigere Emissionen aufweisen als derzeitig verfügbare Verbrennungskammern. Gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Beschreibung können die ionisierten Kraftstofftröpfchen 122 zu chemische Reaktionen während der Verbrennung führen, die sich von denjenigen chemischen Reaktionen unterscheiden können, die auftreten, wenn die Kraftstofftröpfchen nicht ionisiert werden. Diese unterschiedlichen chemischen Reaktionen können zu einer effizienteren Verbrennung führen.
Der Fachmann wird die Austauschbarkeit von verschiedenen Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen erkennen. Gleichermaßen können die verschiedenen beschriebenen Verfahrensschritte und Merkmale, wie auch andere bekannte Äquivalente dieser jeweiligen Verfahren Merkmale, von einem Durchschnittsfachmann kombiniert und angepasst werden, um zusätzliche Anordnungen und Techniken gemäß den Prinzipien dieser Erfindung zu erstellen. Obwohl nur bestimmte Merkmale der Erfindung hier dargestellt und beschrieben wurden, sind dem Fachmann viele Abwandlungen und Änderungen offensichtlich. Es versteht sich daher, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Abwandlungen und Änderungen umfassen sollen, die in den wahren Erfindungsgedanken der Erfindung fallen.
Es wird ein Verbrennungssystem 100 vorgestellt. Das Verbrennungssystem 100 umfasst eine hohle Verbrennungskammer 101 mit einem Kammerkopf 104, Kammerseitenwänden 102 und einem Kammerboden 106. Das Verbrennungssystem umfasst weiterhin ein Kraftstoffeinspritzventil 108, das mit der Verbrennungskammer 101 verkoppelt ist und ausgebildet ist, eine Vielzahl von Kraftstofftröpfchen 122 in die Verbrennungskammer 101 einzuleiten. Das Verbrennungssystem 100 umfasst außerdem eine erste Elektrode 116 und eine zweite Elektrode 118, die derart an der oder um die Verbrennungskammer 101 angeordnet sind, dass als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Signal ein elektromagnetisches Feld 302 zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 118 erzeugt wird, und wobei das elektromagnetische Feld 302 ausgebildet ist, eine Bewegungsbahn der Vielzahl von Kraftstofftröpfchen 122 innerhalb der Verbrennungskammer 101 zu steuern.
Bezugszeichenliste

100: Verbrennungssystem
101: Verbrennungskammer
102: Kammerseitenwände
104: Kammerkopf
106: Kammerboden
108: Kraftstoffeinspritzventil
110: Zünder
112: Einlassventil
114: Auslassventil
116: Erste Elektrode
118: Zweite Elektrode
120: Isolator
122: Kraftstofftröpfchen
200: Eine andere Ausführungsform des Verbrennungssystems
300: Vorderansicht der Verbrennungskammer
302: Elektromagnetisches Feld
320: Draufsicht auf die Verbrennungskammer
400: Beispielhaftes Verfahren zum Steuern der Bewegungsbahn eines Kraftstoffs innerhalb einer Verbrennungskammer
402–406: Verfahrensschritte zum Steuern der Bewegungsbahn eines Kraftstoffs innerhalb einer Verbrennungskammer

Claims

Verbrennungssystem (100), umfassend: eine hohle Verbrennungskammer (101) mit einem Kammerkopf (104), Kammerseitenwänden (102) und einem Kammerboden (106); einem Kraftstoffeinspritzventil (108), das mit der Verbrennungskammer (101) verkoppelt ist und ausgebildet ist, eine Vielzahl von Kraftstofftröpfchen (122) in die Verbrennungskammer (101) einzuleiten; und eine erste Elektrode (116) und eine zweite Elektrode (118), die an der oder um die Verbrennungskammer (101) derart angeordnet sind, dass in Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Signal ein elektromagnetisches Feld (302) zwischen der ersten Elektrode (116) und der zweiten Elektrode (116) erzeugt wird, und wobei das elektromagnetische Feld (302) ausgebildet ist, eine Bewegungsbahn oder einen Spritzstrahldurchmesser der Vielzahl von Kraftstofftröpfchen (122) innerhalb der Verbrennungskammer (101) zu steuern.
Verbrennungssystem nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode (116) an dem Kammerkopf (104) angeordnet ist und die zweite Elektrode (118) an der oder um die eine oder die mehreren Kammerseitenwände (102) und den Kammerboden (106) angeordnet ist.
Verbrennungssystem nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend einen Isolator 120, der zwischen der ersten Elektrode (116) und der zweiten Elektrode (118) angeordnet ist und ausgebildet ist, die erste Elektrode (116) von der zweiten Elektrode (118) elektrisch zu isolieren.
Verbrennungssystem nach Anspruch 3, wobei die erste Elektrode (116) auf einem positiven Potential oder einem negativen Potential gehalten wird und die zweite Elektrode (118) auf einem Massepotential gehalten wird.
Verbrennungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das angelegte elektrische Signal ein Gleichstromsignal, ein niederfrequentes Wechselstromsignal oder ein hochfrequentes Wechselstromsignal umfasst.
Verbrennungssystem (100), umfassend: eine Verbrennungskammer (101) mit einem Kammerkopf (104), Kammerseitenwänden (102) und einem Kammerboden (106); und einem Kraftstoffeinspritzventil (108), das mit der Verbrennungskammer (101) verkoppelt ist und ausgebildet ist, Kraftstoff in eine Verbrennungskammer (101) zu kanalisieren, wobei das Kraftstoffeinspritzventil (108) wirksam mit einer Spannungsquelle verkoppelt ist und als eine erste Elektrode (116) des Verbrennungssystems (100) ausgebildet ist, wobei die Verbrennungskammer (101) als eine zweite Elektrode (118) des Verbrennungssystems (100) ausgebildet ist, und wobei das Verbrennungssystem (100) ausgebildet ist, als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Signal ein elektromagnetisches Feld (302) zwischen der ersten Elektrode (116) und der zweiten Elektrode (118) zu erzeugen.
Verbrennungssystem (100) nach Anspruch 6, weiter umfassend einen Isolator (120), der zwischen dem Kraftstoffeinspritzventil (108) und der Verbrennungskammer (101) angeordnet ist, um das Kraftstoffeinspritzventil (108) von der Verbrennungskammer (101) zu isolieren.
Verbrennungssystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei die erste Elektrode (116) auf einem positiven oder negativen Potential gehalten wird und die zweite Elektrode (118) auf einem Massepotential gehalten wird.
Verfahren zum Steuern der Bewegungsbahn einer Vielzahl von Tröpfchen (122) innerhalb einer Verbrennungskammer (101), das Verfahren umfassend: Erzeugen eines elektromagnetischen Felds (302) zwischen einer ersten Elektrode (116) und einer zweiten Elektrode (118), die um die Verbrennungskammer (101) angeordnet sind; Einleiten der Vielzahl von Kraftstofftröpfchen (122) in die Verbrennungskammer (101); und Steuern der Bewegungsbahn der Vielzahl von Tröpfchen (122) innerhalb der Verbrennungskammer (101) anhand einer Richtung und Stärke des elektromagnetischen Felds (302).
Verfahren nach Anspruch 9, weiter umfassend: elektrostatisches Aufladen der Vielzahl von in die Verbrennungskammer (101) eintretenden Kraftstofftröpfchen (122); und Steuern eines Spritzstrahldurchmessers der Vielzahl von Kraftstofftröpfchen (122) anhand der Stärke des elektromagnetischen Felds (302).