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Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Dieselinjektionsvorrichtung zum Einspritzen von Oxymethylenether (OME) in eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine.
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Bislang ist es bekannt, als Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine Diesel oder Benzin bzw. Gas in einen Brennraum einzuspritzen, in welchem der jeweilige Kraftstoff verbrannt und dabei in dem Kraftstoff gespeicherte chemische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Dabei sind beispielsweise Dieselinjektionsvorrichtungen, mit denen Diesel als Kraftstoff in den Brennraum eingebracht wird, daraufhin optimiert, möglichst energieeffizient eine schadstoffarme Verbrennung zu ermöglichen.
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Beispielsweise werden heutzutage selbstzündende Brennkraftmaschinen wie Dieselmotoren mit Diesel als Kraftstoff in verschiedenster Verblendung gefahren. Dies ist dabei vom betrachteten Land, der Lieferfirma des Kraftstoffes und den Umgebungsbedingungen (Sommer- und Winterdiesel) abhängig. Die grundsätzliche Auslegung von Düsen der Düseninjektionsvorrichtung, mit denen der Diesel in den Brennraum eingebracht wird, folgt der Beschränkung durch den Ruß-NOx-Trade-off, der sich als Folge der Verbrennung in der Brennkraftmaschine ergibt. Das bedeutet, dass die Düsenauslegung so erfolgen sollte, dass die Rußemissionen gering sind und gleichzeitig die NOx-Emissionen möglichst gering verbleiben. Um dies zu erreichen ist es bekannt, eine Mehrlochdüse zu verwenden, bei der möglichst viele Einspritzlöcher vorhanden sind, über die der Diesel in den Brennraum eingebracht wird. Das Lochdesign und die Ausrichtung im Brennraum erfolgt dabei passend zu einer zugehörigen Kolbenmulde eines Verdichtungskolbens so, dass die Zerstäubung und auch die Gemischbildung zwischen Kraftstoff und Umgebungsluft optimal sind, so dass geringe Emissionen entstehen, das Design robust ist, und die Kosten konkurrenzfähig sind.
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Um die genannte Qualität der Zerstäubung und der Gemischbildung zu gewährleisten, ist das Düsendesign daher komplex und verschiedensten gegenläufigen Optimierungsprozessen unterworfen. Randbedingungen bei der Einspritzung von Diesel sind die Anzahl der Düsenlöcher, die möglichst hoch sein sollte, die Düsendurchflussrate, die möglichst klein sein sollte, und die Düsenlochform, die konisch sein und eine passende Rundung aufweisen sollte.
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Die Erfüllung dieser Parameter erfordert einen aufwändigen Entwicklungsprozess des Düsendesigns individuell für jeden Motor und letztlich eine komplexe Bearbeitung der Düse selbst.
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Aufgrund gesetzlicher Auflagen wird es immer schwieriger, auch bei bester Optimierung der Dieselinjektionsvorrichtung, insbesondere der Düse selbst, eine Verbrennung von Diesel als Kraftstoff zu ermöglichen, der die gesetzlichen Auflagen noch erfüllen kann.
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Daher gehen Bestrebungen dahin, Diesel durch andere Kraftstoffe, wie beispielsweise synthetische Kraftstoffe, zu ersetzen.
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Ein Beispiel für einen solchen synthetischen Kraftstoff ist Oxymethylenether, sog. OME, der eine besondere Eignung als Kraftstoff für Dieselmotoren aufweist, da er, wie auch der Diesel, selbstzündend verbrennt.
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Trotz ähnlicher Zündeigenschaften von Diesel und OME bestehen jedoch Unterschiede in anderen physikalischen Parametern, insbesondere beim Heizwert Hu , der bei OME im Vergleich zu Diesel deutlich geringer ist. Der Heizwert Hu entspricht der Wärmemenge, die bei einer gleichen Kraftstoffmasse m erzeugt werden kann.
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Da sich OME auch in weiteren physikalischen Eigenschaften von Diesel unterscheidet, beispielsweise in der Viskosität, ist davon auszugehen, dass nicht einfach eine herkömmliche Dieselinjektionsvorrichtung hergenommen werden kann, um OME in eine Diesel-Brennkraftmaschine einzuspritzen. Dies wäre jedoch wünschenswert, da so einfach von Diesel auf OME umgestiegen werden könnte.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Verwendung einer Dieselinjektionsvorrichtung zum Einspritzen von Oxymethylenether (OME) in eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Gegenstand mit der Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei der Verwendung einer Dieselinjektionsvorrichtung zum Einspritzen von Oxymethylenether (OME) in eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine wird eine Dieselinjektionsvorrichtung verwendet, die eine Düse aufweist, welche so ausgebildet ist, dass in einem vordefinierten Zeitraum eine Kraftstoffmasse m an OME eingespritzt wird, die um einen Vergrößerungsfaktor V im Vergleich zu der Verwendung von Diesel als Kraftstoff erhöht ist, wobei der Vergrößerungsfaktor V dem Kehrwert eines Heizwertverringerungsfaktors H des Heizwertes Hu von OME im Vergleich zum Heizwert Hu von Diesel entspricht.
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Es gilt daher die Beziehung:
wobei
wobei
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Dieselinjektionsvorrichtungen für die Verwendung von Diesel als Kraftstoff sind gut untersucht und bekannt. Wie bereits erwähnt, wird bei Diesel als Kraftstoff zur Vermeidung von Emissionen, insbesondere zur Vermeidung von Ruß, ein spezielles Kraftstoff-Umgebungsluft-Gemisch eingestellt, um so die Verbrennung des Diesels zu verbessern und eine geringere Rußbildung bei der Verbrennung herbeizuführen.
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Bislang wurde davon ausgegangen, dass diese spezielle Gemischbildung auch bei Ersatzkraftstoffen für Diesel, wie beispielsweise synthetischen Kraftstoffen wie Oxymethylenether (OME), eingestellt werden muss.
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In Versuchen hat sich jedoch überraschenderweise herausgestellt, dass bei der Verbrennung von OME als Kraftstoff in einer herkömmlichen Diesel-Brennkraftmaschine keine messbare Menge an Ruß gebildet wird. Dadurch entfällt die genannte Notwendigkeit einer optimalen Zerstäubung des Kraftstoffes und einer damit einhergehenden optimalen Gemischbildung. Daher kann das Düsendesign anders und vor allem einfacher gestaltet werden, und auch auf andere Parameter optimiert werden.
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Ein Parameter, der durch den aufgrund der Vernachlässigbarkeit der Gemischbildung zusätzlichen Freiheitsgrad optimiert werden kann, ist die Anpassung der Kraftstoffmasse m, die in die Brennkammer eingespritzt werden kann, um so eine gleiche Leistung zu erzielen, wie dies von der Einspritzung von Diesel bekannt ist.
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Da OME einen deutlich verringerten Heizwert Hu im Vergleich zu Diesel aufweist, wird bei der Einspritzung der gleichen Kraftstoffmasse m nur eine deutlich geringere Leistung in der Brennkraftmaschine generiert. Um dem entgegenzuwirken, müsste eine entsprechend dem Heizwertverringerungsfaktor H vergrößerte Kraftstoffmasse m eingespritzt werden.
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Bislang musste davon ausgegangen werden, dass dies grundsätzlich nicht möglich ist, da erwartet wurde, dass auch bei der Einspritzung von OME eine optimale Gemischbildung herbeigeführt werden muss. Durch Versuche wurde jedoch herausgefunden, dass dies gerade nicht nötig ist, um Emissionen und Rußbildung zu vermeiden.
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Daher wird nun vorgeschlagen, die Kraftstoffmasse m an OME, die einer Leistungserzeugung von Diesel entspricht, in einem von der Dieseleinspritzung her bekannten vordefinierten Zeitraum einzuspritzen, wobei diese Kraftstoffmasse m um einen Vergrößerungsfaktor V vergrößert ist, der dem Kehrwert des Heizwertverringerungsfaktors H entspricht.
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Dadurch wird die Leistungsverringerung, die mit der Verwendung von OME statt Diesel einhergeht, weitgehend kompensiert.
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Vorzugsweise wird die Dieselinjektionvorrichtung zum Einspritzen von OME in eine Brennkammer eines Personenkraftwagens verwendet, wobei die Düse mit einer Düsendurchflussrate von 500 ml/30 s - 1200 ml/30 s, insbesondere mit einer Düsendurchflussrate von 700 ml/30 s, ausgebildet ist. Die Düsendurchflussraten werden bei einem Einspritzdruck von 100 bar und einem Gegendruck von 1 bar gemessen. Die Speizung der Düsendurchflussrate ist in den unterschiedlichen Leistungen der Motoren begründet.
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D. h., dass eine Düse in der Düseninjektionsvorrichtung verwendet wird, die so im Diesel-Pkw-Bereich keine Anwendung findet. Beispielsweise kann die hohe Düsendurchflussrate durch eine Vergrößerung des Lochdurchmessers der Einspritzlöcher in der Düse erzielt werden und somit ein größerer Massenstrom in dem gleichen vordefinierten Zeitraum, in dem normalerweise Diesel als Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird, erreicht werden.
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Düsen mit so hohen Düsendurchflussraten sind aus Pkw-Anwendungen eigentlich nicht bekannt, sondern werden normalerweise in Lkw-Anwendungen herangezogen, wo deutlich höhere Leistungen erforderlich sind.
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Vorzugsweise ist die Düse mit drei Einspritzlöchern ausgebildet, die jeweils eine Lochachse aufweisen, wobei die Lochachsen vorzugsweise symmetrisch um eine Düsenlängsachse angeordnet sind.
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Besonders vorteilhaft ist die Düse mit lediglich einem Einspritzloch ausgebildet, wobei eine Lochachse des Einspritzloches vorzugsweise mit einer Düsenlängsachse der Düse zusammenfällt.
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Die Anzahl der Einspritzlöcher kann daher vorteilhaft deutlich reduziert werden im Vergleich zu der Anwendung von Diesel als Kraftstoff, da lediglich die gewünschte Kraftstoffmasse m ohne Rücksicht auf die Gemischbildung in einem vordefinierten Zeitraum in die Brennkammer eingebracht werden muss. Je weniger Einspritzlöcher eine Düse aufweisen muss, umso robuster ist die Düse, so dass mit Verringerung der Anzahl der Einspritzlöcher vorteilhaft eine robustere und kostengünstigere Dieselinjektionsvorrichtung bereitgestellt werden kann.
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Vorteilhaft sind die Einspritzlöcher um die Düsenlängsachse der Düse symmetrisch angeordnet, was dazu führt, dass die Lochachse bei lediglich einem einzigen Einspritzloch mit der Düsenlängsachse vorteilhaft zusammenhält.
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Vorzugsweise ist jede der Lochachsen der Einspritzlöcher relativ zu der Düsenlängsachse in einem Höhenwinkel β angeordnet, wobei bei der Einspritzung von OME im Vergleich zu der Einspritzung von Diesel dieser Höhenwinkel β um wenigstens 25 % reduziert ist.
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Je nach Anzahl der Einspritzlöcher kann der Höhenwinkel β um bis zu 100 % reduziert werden, wenn nämlich nur ein einziges Einspritzloch vorhanden ist, das zentral auf der Düsenlängsachse angeordnet ist. Ansonsten kann beim Vorsehen mehrerer Einspritzlöcher eine Reduktion von bis zu 75 % Sinn machen. Höhenwinkel β bei der Einspritzung von OME liegen dabei in einem Bereich zwischen 0° und 55°, während sie im Vergleich dazu bei Diesel deutlich größer sind und in einem Bereich von wenigstens 65° liegen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 eine schematische Übersichtsdarstellung einer Dieselinjektionsvorrichtung mit mehreren Injektoren, welche Düsen zum Einspritzen von Kraftstoff in jeweils zugeordnete Brennkammern einer Brennkraftmaschine aufweist;
- 2 eine Längsschnittdarstellung einer Düse aus dem Stand der Technik, wie sie für die Einspritzung von Diesel als Kraftstoff verwendet wird;
- 3 eine Draufsicht von unten auf die Düse aus 2 aus dem Stand der Technik;
- 4 eine Längsschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Düse für die Einspritzung von OME als Kraftstoff;
- 5 eine Draufsicht von unten auf die Düse aus 4;
- 6 eine Längsschnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Düse für die Einspritzung OME als Kraftstoff; und
- 7 eine Draufsicht von unten auf die Düse aus 6.
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1 zeigt eine schematische Übersichtsdarstellung einer Dieselinjektionsvorrichtung 10, mit der normalerweise Diesel als Kraftstoff 12 mit Hochdruck beaufschlagt, gespeichert und dann in Brennräume einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Die Dieselinjektionsvorrichtung 10 weist einen Tank 14 auf, in dem der Kraftstoff 12 bereitgestellt wird, und von wo aus der Kraftstoff 12 über eine Vorförderpumpe 16 einer Kraftstoffhochruckpumpe 18 zugeführt wird. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 18 beaufschlagt den Kraftstoff 12 dann mit dem Hochdruck und stößt den Kraftstoff 12 in Richtung auf einen Kraftstoffhochdruckspeicher 20 aus, in dem der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff 12 gespeichert wird. Der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff 12 wird dann über Injektoren 22 dem Kraftstoffhochdruckspeicher 20 entnommen und durch Einspritzung aus den Injektoren 22 heraus Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeführt.
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Die Vorförderpumpe 16 transportiert den Kraftstoff 12 demgemäß aus dem Tank 14 heraus durch einen Niederdruckbereich 24 der Dieselinjektionsvorrichtung 10 zu einem Druckraum 26 der Kraftstoffhochdruckpumpe 18. In dem Niederdruckbereich 24 ist beispielsweise ein Zumessventil 28 vorgesehen, das aktiv angesteuert wird, und somit eine Befüllung des Druckraumes 26 mit Kraftstoff 12 aus dem Niederdruckbereich 24 steuern kann.
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In dem Druckraum 26 bewegt sich ein Pumpenkolben 30 translatorisch auf und ab und verändert dabei periodisch das Volumen des Druckraumes 26, so dass darin befindlicher Kraftstoff 12 verdichtet und somit mit Hochdruck beaufschlagt wird.
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Über ein Auslassventil 32 wird der in dem Druckraum 26 druckbeaufschlagte Kraftstoff 12 in einen Hochdruckbereich 34 der Dieselinjektionsvorrichtung 10 ausgelassen, wo er dann in dem Kraftstoffhochdruckspeicher 20, dem sog. Rail, bis zu einer Einspritzung über die Injektoren 22 in Brennräume der Brennkraftmaschine gespeichert wird.
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2 zeigt eine Längsschnittdarstellung einer Düse 36, wie sie für die Einspritzung von Diesel als Kraftstoff 12 an einem Injektor 22 im Stand der Technik angeordnet ist. In 3 ist eine Draufsicht von unten auf die Düse 36 aus 2 gezeigt.
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Aus 2 und 3 geht hervor, dass die Düse 36 aus dem Stand der Technik bei der Einspritzung von Diesel als Kraftstoff 12 eine Vielzahl an Einspritzlöchern 38 aufweist, über die der Diesel in eine jeweilige Brennkammer eingespritzt wird. Dabei ist die Anzahl der Einspritzlöcher 38 und auch ihre Form so ausgebildet, dass der Diesel bei der Einspritzung möglichst gut zerstäubt wird und somit eine optimale Gemischbildung mit einer Umgebungsluft im Bereich um die Düse 36 erfolgt. Beispielsweise sollte die Form der Einspritzlöcher 38 vorteilhaft konisch und mit einer passenden Verrundung ausgebildet sein, um so die Zerstäubung zu optimieren. Zusätzlich ist es wünschenswert, wenn die Anzahl der Einspritzlöcher 38 möglichst hoch ist und eine Düsendurchflussrate rd , die sich auf die einzelnen Einspritzlöcher 38 verteilt, möglichst klein ist. Entsprechend ist auch ein Lochdurchmesser d1 der Einspritzlöcher 38 bei der Einspritzung von Diesel als Kraftstoff 12 möglichst klein gewählt, um eine gezielte Kraftstoffmasse m dosieren zu können.
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Zwischen einer Düsenlängsachse 40 und jeweils Lochachsen 42 der Einspritzlöcher 38 ist ein Höhenwinkel β definiert, der ebenfalls Einfluss auf die Gemischbildung hat. Der Höhenwinkel β wird bei der Verwendung von Diesel als Kraftstoff 12 möglichst groß gewählt, um eine optimale Zerstäubung des Diesels zu gewährleisten. Dabei bewegt sich der Höhenwinkel β in einem Bereich von mindestens 65°, vorzugsweise größer 70°.
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4 zeigt eine Längsschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Düse 36, wie sie für die Einspritzung von OME als Kraftstoff 12 verwendet werden kann.
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5 zeigt eine Draufsicht von unten auf die Düse 36 aus 4.
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Es ist zu sehen, dass der Lochdurchmesser d1 der Einspritzlöcher 38 deutlich größer ist als bei der Düse 36, die für die Einspritzung von Diesel verwendet wird. Der Lochdurchmesser d1 kann dabei annähernd doppelt so groß sein wie bei der Einspritzung von Diesel. Dadurch ist es auch möglich, die Anzahl der Einspritzlöcher 38 zu reduzieren, so dass maximal drei Einspritzlöcher 38 an der Düse 36 vorgesehen werden müssen. Dies führt dazu, dass die Düse 36 insgesamt einfacher und robuster ausgelegt werden kann, und damit auch insgesamt eine robustere und kostengünstigere Dieselinjektionsvorrichtung 10 bereitgestellt wird.
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6 zeigt eine Längsschnittdarstellung einer zweiten möglichen Ausführungsform der Düse 36 für die Einspritzung von OME, wobei 7 eine Draufsicht von unten auf die Düse 36 aus 6 zeigt. Hier ist zu sehen, dass der Lochdurchmesser d1 des Einspritzloches 38 nochmal im Vergleich zu der ersten Ausführungsform vergrößert worden ist, und lediglich nur noch ein einzelnes Einspritzloch 38 vorhanden ist, das derart zentral an der Düse 36 angeordnet ist, dass die Lochachse 42 des Einspritzloches 38 mit der Düsenlängsachse 40 zusammenfällt.
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Sowohl in der ersten als auch in der zweiten Ausführungsform kann im Vergleich zu der Einspritzung von Diesel eine viel höhere Düsendurchflussrate rd erzielt werden, so dass in einem gleichen vordefinierten Zeitraum eine deutlich vergrößerte Kraftstoffmasse m eingespritzt werden kann.
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Da bei der Verwendung von OME als Kraftstoff 12 bei Verbrennung keine messbare Menge an Ruß gebildet wird, ist die Gemischbildung zwischen Kraftstoff 12 und Umgebungsluft nicht kritisch zu sehen, so dass ein Freiheitsgrad entsteht, der für die Einspritzung einer größeren Kraftstoffmasse m genutzt werden kann. Denn OME weist einen deutlich geringeren Heizwert Hu als Diesel auf, so dass, um eine gleiche Leistung die bei der Einspritzung von Diesel zu erreichen, eine viel größere Kraftstoffmasse m in dem gleichen vordefinierten Zeitraum in die Brennkammer eingespritzt und dort verbrannt werden muss. Dies kann über die Vergrößerung der Düsendurchflussrate rd und damit einhergehend auch einen größeren Lochdurchmesser d1 der Einspritzlöcher 38 realisiert werden.
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Weiter ist zu erkennen, dass in der Ausführungsform, in der mehrere Einspritzlöcher 38 vorhanden sind, der Höhenwinkel β deutlich kleiner ist als bei der Düse 36, die für die Dieseleinspritzung verwendet wird. Der Höhenwinkel β bewegt sich dabei in einem Bereich zwischen 0° (Extremfall von nur einem einzigen Einspritzloch 38) und maximal 50°. Damit ist der Höhenwinkel β im Vergleich zu einer auf Diesel optimierten Düse 36 um wenigstens 25 % reduziert. Dies führt zu einer einfacheren Herstellbarkeit der Düse 36 und damit zu einer Kostenersparnis.
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Vorteilhaft weist die Düse 36 eine Düsendurchflussrate von 500 ml/30 s - 1200 ml/30 s aus. Beispielsweise kann eine Düse 36 aus Lkw-Anwendungen auf Pkw-Brennkraftmaschinen übertragen werden, wobei die Lkw-Düsen 36 im Mittel Düsendurchflussraten rd von 700 ml/30 s aufweisen. Solche Düsendurchflussraten rd waren bislang bei der Verwendung von Diesel als Kraftstoff 12 in Pkw nicht denkbar, da somit keine optimale Gemischbildung möglich war.
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Bei der Einspritzung von OME als Kraftstoff 12 statt Diesel kann daher die Düse 36 deutlich vereinfacht werden, indem die Anzahl der Einspritzlöcher 38 verringert, die Düsendurchflussrate rd erhöht und der Höhenwinkel β verringert wird.
