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Zünd-System für Verbrennungsmotoren - Dokument DE102004061194A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004061194A1 26.10.2006
Titel Zünd-System für Verbrennungsmotoren
Anmelder Merlaku, Kastriot, 80807 München, DE
Erfinder Merlaku, Kastriot, 80807 München, DE
DE-Anmeldedatum 20.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004061194
Offenlegungstag 26.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2006
IPC-Hauptklasse F02P 23/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Zünd-System und Kraftstoff-Vorbereitungs-System für Verbrennungsmotoren.
Das Laser-Zünd-System besteht aus einem Laserstrahler, der einen energiereichen Laserstrahl erzeugen kann, der in der Lage ist, das Kraftstoff-Luftgemisch blitzschnell zu zünden. Als Laserstrahler kann ein UV-Laser, ein optischer Laserstrahler (rot, blau, grün, gelb etc.) oder ein IR-Laser verwendet werden. Als Laserquelle können sowohl Puls-Laser oder auch Dauerlaser-Strhler benutzt werden. Es sollte je ein Laserstrahler an jeder Brennkammer eingebaut werden. Eine Steuerung, die ähnlich wie die Zündkerzen-Steuerung funktioniert, kann die Laserstrahler und damit die Laser-Zünd-Impulse steuern. An jeder Brennkammer ist ein Laser-Strahl-Eintrittsfenster eingebaut, durch die der Laserstrahl in die Brennkammer eindringen kann.
Das Kraftstoff-Verarbeitungs-System kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch verfeinern. Es handelt sich hier um einen Ultraschallgeber, der einen energiereichen Ultraschall erzeugt, der das Kraftstoff-Luftgemisch in einen feinen Nebel umwandelt. Das geschieht in einer Vorkammer oder in der Einspritz-Anlage oder in der Brennkammer direkt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Zünd-System für Verbrennungsmotoren.

Das meistverbreitetes Zünd-System für Verbrennungsmotoren ist das Zündkerzen-System. Ein Hochspannungs-Funken, mit einer Spannung von ca. 35.000 V wird an die Zündkerze abgegeben. Dieser Funken wird in dem Moment abgegeben, wenn eine dementsprechende Verdichtung erreicht ist und die Zündung erfolgen soll. Das regelt eine Motor-Steuerung, die bei älteren Motoren mechanisch durch einen Unterbrecher-System funktionierte. Bei modernen Motoren wird der Zündvorgang elektronisch durch Thyristor-Elemente gesteuert. Trotzdem, der Zündfunken durch die Zündkerze bleibt erhalten.

Die Zündung durch den Hoch-Spannungs-Funken hat viele Vorteile: Diese Methode ist sehr günstig, einfach und zuverlässig.

Sie bringt aber auch Nachteile mit. Das Kraftstoff-Luftgemisch wird nicht schnell genug gezündet. Insbesondere der Anfang der Zündungs-Phase erfüllt nicht alle Erwartungen. Die Zündwelle breitet sich mit ca. 23 m/s aus und verursacht mehrere pulsierende Druckwellen, die nicht synchron mit der Energie-Abgabe auf den Kolben verlaufen. Diese pulsierenden Druckwellen, die die Form einer Blase haben, können durch einen Funken von einer Zündkerze kaum beeinflusst werden. Das geschieht, weil die Zündung an einem Punkt erfolgt, der nicht direkt auf dem Kolben liegt.

Wenn man eine Zündung direkt auf der Kolben-Fläche erzeugen könnte und das nicht punkt- sondern linienförmig oder kreisförmig, dann hätte die Druckwelle zusätzlich einen Rückstoss auf den Kolben geliefert, die die Wirkungsgrad des Motors um mehrere Prozent erhöhen würde. Diese Energie geht heute leider verloren, bzw. wird sie thermisch an den Brennkammer abgegeben.

Der in den Patentansprüchen 1 bis 23 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Zünd-System zu schaffen, das in der Lage ist, einen besseren Zündvorgang und damit einen besseren Wirkungsgrad für Motoren zu erreichen.

Dieses Problem wird mit den in den Patentansprüchen 1 bis 23 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Vorteile der Erfindung sind:

  • – bessere Verbrennung,
  • – bessere Kraftnutzung der Druckwelle in den Brennkammer,
  • – gleichmässiger Brennvorgang.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der 1 bis 5 erläutert. Es zeigen:

1 ein Laser-Zünd-System,

2 die Formen der Laserstrahlen,

3 ein Mikrowellen-Zünd-System für Fahrzeuge,

4 der Ultraschall-Zerstäuber,

5 der Funken-Leit-Strahl.

Das Laser-Zünd-System besteht aus einem Laserstrahler 1, der einen energiereichen Laserstrahl 2 erzeugen kann, der in der Lage ist, das Kraftstoff Luftgemisch 3 blitzschnell zu zünden. Als Laserstrahler kann ein UV-Laser, ein optischer Laserstrahler (rot, blau, grün, gelb etc.) oder ein IR-Laser verwendet werden. Als Laserquelle können sowohl Puls-Laser oder auch Dauerlaser-Strahler benutzt werden. Dafür können auch Laserdioden mit hoher Energie verwendet werden. Es sollte je ein Laserstrahler an jeder Brennkammer 4 eingebaut werden. Eine Steuerung 5, die ähnlich wie die Zündkerzen-Steuerung funktioniert, kann die Laserstrahler und damit die Laser-Zünd-Impulse steuern. An jeder Brennkammer ist ein Laser-Strahl-Eintrittsfenster 6 eingebaut, durch die der Laserstrahl in der Brennkammer eindringen kann. Das Fenster kann aus hitze- und druckbeständigen Glas gebaut sein. Sie soll leicht austauschbar in die Brennkammer eingebaut sein. Ein Gewinde 16 kann dafür behilflich sein. Die Laserstrahlen können auch durch Lichtleiter 19 von einem zentralen Laser-Modul weitergeleitet werden. Ein Knotenpunkt 20 kann die Verteilung der Laserstrahlen durch steuerbare Lichtschalter 21 regeln.

Die Zündung erfolgt im Gegensatz zu der alten Funken-Methode nicht punktförmig, sondern linien- oder zylinderförmig. Die Zündung ist sehr homogen und erzeugt eine pulsierende Druck-Blase 7, die ihre erste Stosswelle schon in ihrem Entstehungs-Stadium direkt an den Kolben 8 abgibt. Die Pulsierung der Blase kann beliebig geändert werden, je nachdem, wie man den Laserstrahl abgibt. Eine Hohl-Zylinder-Geformte Laserstrahl 9 kann die Zündung positiv beeinflussen. Es entstehen dadurch zwei Stosswellen 10, die sich schnell gegen einander stossen und eine bessere Energie-Abgabe an den Kolben ermöglichen. Die Laser-Zündung erfolgt sehr schnell und kann die Verbrennung sehr intensivieren. Die UV-Laser-Strahlen ermöglichen z.B. eine nahezu vollständige Verbrennung, wobei die Motorleistung erhöht werden kann. Der Motor würde durch eingebaute Laser-Module etwas teuerer werden, aber das würde durch die erhöhte Motor-Leistung bei gleichem Verbrauch kompensiert werden. Die heutigen Laser-Module sind sehr langlebig und können bis ca. 50.000 Betriebs-Stunden leisten. Das bedeutet eine Zeitspanne von ca. 45 Jahren bei einem Betrieb von 3 Stunden täglich.

In der 3 ist ein anderes Zünd-System für Motoren dargestellt worden. Hier werden die Mikrowellen 11 statt der Laserstrahlen für die Kraftstoff-Zündung eingesetzt. Die Mikrowellen werden durch einen Magnetron 12 erzeugt und in den Brennkammern geleitet. Sie können durch Mikrowellen-Leiter 13 oder durch Antennen 14 direkt in den Brennkammer abgegeben.

In der 4 ist ein Hilfs-Gerät dargestellt worden, der die Zündung des Kraftstoffs nahezu perfekt macht. Es handelt sich hier um einen Ultraschallgeber 15, der einen energiereichen Ultraschall erzeugt, der das Kraftstoff-Luftgemisch 3 in einem feinen Nebel umwandelt. Das geschieht in einer Vorkammer 17 oder in die Einspritz-Anlage 18 oder in der Brennkammer 4 direkt. Das Kraftstoff-Luftgemisch wird durch die Ultraschall-Schwingungen sehr stark verfeinert und dadurch leicht entzündbar. Die Verbrennung wird dadurch sehr homogen und die Motor-Leistung steigt. Kombiniert mit dem Laser-Zünd-System oder Mikrowellen-Strahl-System kann die Ultraschall-Variante ein perfektes Zünd-System für Fahrzeuge darstellen. Die Ultraschall-Elemente 22 können Piezo-Elemente oder Magnetostriktions-Elemente sein, die z.B. direkt in der Brennkammer eingebaut werden können.

Das Kraftstoff-Verarbeitungs-System können sowohl an Benzin- auch an Diesel-Motoren eingebaut werden. Bei Diesel-Motoren könnte das Ultraschall-System den Kraftstoff vorbereiten und ihn leichter entzündlich machen.

Das Kraftstoff-Zünd-System wäre bei Diesel-Motoren überflüssig, weil dort die Funktionsweise anders ist. Es könnte dort höchstens die Erwärmung in der Anfangs-/Start-Phase durch Mikrowellen oder Laserstrahlen erfolgen. Das System könnte eventuell dann die Glühkerze ersetzen. Durch Mikrowellen kann das Diesel-Luftgemisch sehr schnell erhitzt werden und damit wäre eine problemlose Zündung möglich.

Selbstverständlich können diese Zünd-System auch nur als Ergänzung zu den herkömmlichen verwendet werden, um eine Verbesserung der Verbrennung zu erreichen. Es ist bekannt, dass die UV-Laserstrahlen Luftionisations-Kanäle 23 erzeugen können, die auch elektrisch leitend sind. Diese Kanäle können quer in der Brennkammer erzeugt werden, die dann durch einen langen Funken eine Zündung des Kraftstoff-Luftgemisches verursachen. Die notwendige Spannung für die Erzeugung dieser Funken wäre dann viel niedriger als bei herkömmliche Methode, weil die Luft in dem Laserstrahl-Kanal schon ionisiert wäre. Der Laserstrahl wäre dann nur ein Funken-Leit-Strahl. Anstatt der herkömmlichen sollte dann eine spezielle Zündkerze verwendet werden, die einen Funken zwischen ihr und den Kolben oder einem Brennkammerwand erzeugt. Der Funke wäre dann sehr lang und könnte mit Unterstützung von UV-Laserstrahl jeden Punkt erreichen. Der lange Funke findet einen niedrigeren elektrischen Widerstand in dem UV-Laserstrahl-Kanal, weil dort schon ionisierte Moleküle sich befinden, die die Stromleitung unterstützen. Eine lange Funke, die quer durch die Brennkammer verläuft, könnte die Zündung deutlich verbessern und eine Erhöhung der Motorleistung ermöglichen.

1
Laserstrahler
2
Laserstrahl
3
Kraftstoff-Luftgemisch
4
Brennkammer
5
Steuerung
6
Laser-Strahl-Eintrittsfenster
7
Druck-Blase
8
Kolben
9
Hohl-Zylinder-Geformte Laserstrahl
10
Stosswellen
11
Mikrowellen
12
Magnetron
13
Mikrowellen-Leiter
14
Mikrowellen-Antenne
15
Ultraschallgeber
16
Fenster-Gewinde
17
Vorkammer
18
Einspritz-Anlage
19
Lichtleiter
20
Knotenpunkt
21
Lichtschalter
22
Ultraschall-Elemente (Piezo-Elemente)
23
UV-Laserstrahlen Luftionisations-Kanäle


Anspruch[de]
Zünd-System für Verbrennungsmotoren,

dadurch gekennzeichnet,

dass es aus mindestens

– einem Laserstrahler, der ein hochenergischen Strahl mit eine ausreichende Intensität für eine Kraftstoff-Luft-Gemisch-Zündung abgeben kann,

– einem Lichtleiter, der den Laserstrahl bis zu Verbrennungskammer des Motors leitet,

– einem Brennkammer-Licht-Fenster, das an dem Brennkammer angebracht ist, das hitzebeständig ist und mit dem Lichtleiter gekoppelt ist,

– eine Laser-Steuerung, die den Laserbetrieb oder die Zündimpulse des Lasers oder ein Licht-Schalter, der das Licht in dem Lichtleiter oder direkt vor dem Brennkammer-Fenster unterbrechen kann, abhängig von der Motor-Phasen steuert, besteht.
Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl eine Lichtlinie oder einen Licht-Kegel, die/der das Kraftstoff-Luftgemisch zündet, in der Brennkammer bildet (2). Zünd-System für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl einen Licht-Hohl-Zylinder in der Brennkammer erzeugt. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl in der Brennkammer durch eine in dem Fenster oder in dem Lichtleiter eingebaute Linse gebündelt wird, wobei der Brennpunkt auf den Kolben sich bildet. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass der Laserstrahl-Brennpunkt die Brenn-Fläche der Kolben berührt, wenn er seinen minimalen Abstand zum Fenster erreicht hat oder kurz davor. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlintensität nur in dem Brennpunkt oder auch in seine unmittelbarer nähe ausreichend für die Kraftstoff-Luftgemisch-Zündung ist. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben gewölbt an der Laserstrahl-Brennpunkt-Treff-Stelle gebaut ist. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mehrere Fenster/Laserstrahl-Eintrittstellen pro Verbrennungskammer aufweist. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahler ein UV-Laserstrahler oder ein IR-Laserstrahler ist. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahler ein intensiver optischer Laserstrahler ist. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahler ein Röntgen-Laserstrahler ist. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahler eine Laserdiode ist. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Brennkammer mit je einem Laserstrahler ausgestattet ist. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster aus hitze- und druckbeständigem Glas besteht oder eine entsprechende Dicke aufweist. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster von aussen leicht abschraubbar oder austauschbar ist. Zünd-System für Verbrennungsmotoren,

dadurch gekennzeichnet,

dass es aus mindestens

– einem Mikrowellenstrahler, der ein hochenergischen Mikrowellen-Strahl mit eine ausreichende Intensität für eine Kraftstoff-Luft-Gemisch-Zündung abgeben kann,

– einem Mikrowellenleiter oder eine Antenne, die den Mikrowellenstrahl bis zu Verbrennungskammer des Motors leitet,

– einen Mikrowellen-Eintrittsfenster-Fenster oder eine Mikrowellen-Antenne, die an dem Brennkammer angebracht ist, die hitzebeständig ist und mit dem Mikrowellen-Generator gekoppelt ist,

– eine Mikrowellen-Steuerung, die den Mikrowellenbetrieb oder die Zündimpulse des Mikrowellengenerators steuert, besteht.
Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellen durch eine parabel- geformte Wölbung in der Brennkammer an einem bestimmten Brennpunkt fokussierbar sind. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem energiereichen Ultraschall-Geber, der einen Kraftstoff-Luftgemisch-Nebel in die Kraftstoff-Kreislauf oder in einer Vorkammer und/oder Einspritz-Anlage oder direkt in der Brennkammer erzeugt, ausgestattet ist. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall-Geber aus mindestens einem Ultraschall-Generator und einem Ultraschall-Element, das in einer Vorkammer und/oder Einspritz-Anlage oder direkt in der Brennkammer des Motors eingebaut ist und das einen Kraftstoff-Luftgemisch in einem feinen Nebel umwandelt. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschall-Element ein Piezo-Element oder ein Magnetostriktions-Element ist. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es an einem Benzin- oder Diesel-Motor eingebaut ist. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass es an einem Diesel-Motor als Ersatz für die Glühkerzen eingebaut ist. Zünd-System für Verbrennungsmotoren nach einem der Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der UV-Laserstrahl einen Funken-Leit-Strahl bildet, die durch die Luft-Gasgemisch-Ionisation einen elektrisch leitenden Kanal in dem Brennkammer öffnet, wobei der ionisierter Kanal unmittelbar nach der Ionisierung von einem elektrischen Funken aus einer herkömmlichen oder speziellen Zündkerze, die einen langen Funken entlang oder quer durch den Brennkammer abgibt, gezündet wird.






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