EP3607187A1 - Brennraumanordnung für eine brennkraftmaschine, einspritzverfahren und verwendung einer brennraumanordnung zum einspritzen von ome-kraftstoff - Google Patents

Brennraumanordnung für eine brennkraftmaschine, einspritzverfahren und verwendung einer brennraumanordnung zum einspritzen von ome-kraftstoff

Info

Publication number
EP3607187A1
EP3607187A1 EP18716179.9A EP18716179A EP3607187A1 EP 3607187 A1 EP3607187 A1 EP 3607187A1 EP 18716179 A EP18716179 A EP 18716179A EP 3607187 A1 EP3607187 A1 EP 3607187A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
combustion chamber
fuel
longitudinal axis
trough
piston
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP18716179.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Kastner
Oliver Maiwald
Gerd RÖSEL
Rolf BRÜCK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vitesco Technologies GmbH
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vitesco Technologies GmbH filed Critical Vitesco Technologies GmbH
Publication of EP3607187A1 publication Critical patent/EP3607187A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0672—Omega-piston bowl, i.e. the combustion space having a central projection pointing towards the cylinder head and the surrounding wall being inclined towards the cylinder center axis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G OR C10K; LIQUIFIED PETROLEUM GAS; USE OF ADDITIVES TO FUELS OR FIRES; FIRE-LIGHTERS
    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/02—Liquid carbonaceous fuels essentially based on components consisting of carbon, hydrogen, and oxygen only
    • C10L1/026—Liquid carbonaceous fuels essentially based on components consisting of carbon, hydrogen, and oxygen only for compression ignition
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G OR C10K; LIQUIFIED PETROLEUM GAS; USE OF ADDITIVES TO FUELS OR FIRES; FIRE-LIGHTERS
    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/10—Liquid carbonaceous fuels containing additives
    • C10L1/14—Organic compounds
    • C10L1/18—Organic compounds containing oxygen
    • C10L1/185—Ethers; Acetals; Ketals; Aldehydes; Ketones
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0645—Details related to the fuel injector or the fuel spray
    • F02B23/0648—Means or methods to improve the spray dispersion, evaporation or ignition
    • F02B23/0651—Means or methods to improve the spray dispersion, evaporation or ignition the fuel spray impinging on reflecting surfaces or being specially guided throughout the combustion space
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0645—Details related to the fuel injector or the fuel spray
    • F02B23/0669—Details related to the fuel injector or the fuel spray having multiple fuel spray jets per injector nozzle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0696—W-piston bowl, i.e. the combustion space having a central projection pointing towards the cylinder head and the surrounding wall being inclined towards the cylinder wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/12—Engines characterised by fuel-air mixture compression with compression ignition
    • F02B1/14—Methods of operating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • F02B23/10—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder
    • F02B2023/103—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the injector having a multi-hole nozzle for generating multiple sprays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition
    • F02B3/08—Methods of operating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/95—Fuel injection apparatus operating on particular fuels, e.g. biodiesel, ethanol, mixed fuels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • Combustion chamber arrangement for an internal combustion engine injection method and use of a combustion chamber arrangement for injecting OME fuel
  • the invention relates to a combustion chamber arrangement for forming a combustion chamber for an internal combustion engine for burning an injected into the combustion chamber OME fuel, an injection method for injecting an OME fuel into such a combustion chamber, and the use of such a combustion chamber arrangement for injecting OME fuel in the Combustion chamber of an internal combustion engine.
  • OME fuel is significantly ge ⁇ ringer compared to diesel fuel.
  • the calorific value H 0 corresponds to the amount of heat that can be generated at an equal mass m of fuel.
  • the calorific value H 0 for OME fuels is about half as large as for diesel fuels, that is, if only the calorific value H 0 is considered, for an equal amount of heat or energy to be generated about twice the mass m burned to fuel.
  • FIG. Fig. 7 shows a sectional view of a combustion chamber 10 for a diesel internal combustion engine.
  • a combustion chamber arrangement 12 which comprises a hollow piston 14 and an injection nozzle 16.
  • the injection nozzle 16 is arranged so directed to a piston end face 18, that
  • Fuel 20 which is injected from the injection nozzle 16 into the combustion chamber 10, impinges on the piston end face 18.
  • the hollow piston 14 has a trough 22 into which the injected fuel 20, for example diesel fuel 20a, is sprayed from the injection nozzle 16, and where the fuel 20 is mixed by a special geometric configuration of the trough 22 with an also present in the combustion chamber 10 air 24.
  • the fuel 20 which has been injected into the combustion chamber 10 and has mixed with the air, compresses and ignites at a specific compression point itself. This ignition becomes chemical energy that is stored in the fuel 20, converted into kinetic energy and used for driving a diesel engine.
  • the trough 22 has a special geometric shape. It comprises a symmetrically about the piston longitudinal axis 26 centrally disposed dome 28, and also a symmetrically about the piston longitudinal axis 26 formed side wall 30 for limiting the trough 22. Between the dome 28 and the side wall 30, a U-shaped transition region 32 is provided.
  • the side wall 30 forms, characterized in that a radially arranged to the piston longitudinal axis 26, extending away from the piston ⁇ longitudinal axis 26 recess 34 is formed, in the region of a piston end 36 of a trough lip 38, in the direction of the dome 28 via the trough 22nd protrudes.
  • This special geometric configuration makes it possible to inject diesel fuel 20a from the injection nozzle 16 so that it impinges on the depression 22 in the recess 34, there by the shape of the recess 34 and the U-shaped transition region 32 and the dome 28 is deflected inwardly in a circle and thus forms a turbulence 40 through which the diesel fuel 20a can mix very well with the air 24 present.
  • the particularly good mixing of air 24 and diesel fuel ⁇ 20a significantly better emission values and in particular a reduced soot formed during combustion. If such is now designed for diesel fuel 20a
  • Combustion chamber assembly 12 used to inject OME fuel 20b into the combustion chamber 10 there is the problem that the OME fuel 20b generated by the lower calorific value H 0 significantly less kinetic energy than the previously used Dieselkraftsoff 20a at an equal injected fuel mass m.
  • the injector would need to be a ⁇ spray nozzle 16 adapted 16 in its flow HD, that is, the mass m of fuel 20, which passes per predefined time unit At into the combustion chamber 10, is increased. This means, however, that significantly more mass m of fuel 20 in the trough 22 burns off in the same time unit ⁇ t.
  • the object of the invention is therefore to strike a combustion chamber arrangement for forming a combustion chamber for an internal combustion engine before ⁇ can be burned with the OME fuel permanently to produce a corresponding to a diesel fuel same predefined heat or power to be generated.
  • An injection method for injecting an OME fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine and the use of the combustion chamber arrangement for injecting OME fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine are the subject matter of the dependent claims.
  • a combustion chamber arrangement for forming a combustion chamber for an internal combustion engine for burning an injected into the combustion chamber OME fuel has a trough piston, which moves in operation in the combustion chamber along a piston longitudinal axis translationally, and an injection nozzle for injecting the OME fuel into the combustion chamber.
  • the trough piston comprises on a piston end face a trough for receiving the OME fuel injected in the combustion chamber, wherein the trough is formed symmetrically about the piston longitudinal axis.
  • the trough has a centrally disposed dome, which is arranged in the direction of a trough bottom extending circumferentially around the piston longitudinal axis, a circumferentially about the piston longitudinal axis ⁇ arranged, extending substantially parallel to the piston longitudinal axis extending side wall for limiting the trough, and a U-shaped Transition area between the dome and the side wall.
  • the injection nozzle is formed symmetrically about a longitudinal axis of the nozzle, wherein the injection nozzle is arranged so directed to the Kol ⁇ benstirnseite that the piston ⁇ longitudinal axis and the nozzle longitudinal axis coincide.
  • the ⁇ A spray nozzle has a plurality of injection holes on each having a hole axis for injecting the OMR fuel. An elevation angle ⁇ between each of the hole axes and the nozzle longitudinal axis is formed so that the injected
  • OME fuel impinges in the transition region closer to the dome than on the sidewall.
  • the hole axis corresponds to a jet axis of the injected fuel.
  • a diesel fuel normally injected with such a combustion chamber arrangement receives a momentum in the trough which results in a return flow in the direction of the dome, so that the diesel fuel mixes well with the air arranged around the dome. This is important to keep emissions, especially soot formation, small because this backflow and subsequent mixing optimizes the air / diesel fuel mixture. For this reason, the trough in the section of the piston longitudinal axis on the special shape with dome, transition region and side wall.
  • OME fuel now has a significantly lower calorific value H 0 .
  • H 0 calorific value
  • OME fuel has a different ignition delay than diesel fuel. The two factors - ignition delay and increased mass m of injected fuel - result in a modified jet pulse of OME fuel compared to diesel fuel and affect the location in the trough where the injected fuel
  • OME fuel therefore burns closer to a trough lip than diesel fuel, which results in the trough lip and thus the trough piston being destroyed.
  • diesel fuel is normally sprayed onto the side wall of the trough.
  • the injection holes of the injection nozzle are on ⁇ arranged that diesel fuel selectively impinges on the side wall and there is given a movement pulse for a reverse flow, to then mix in the area of the dome with the surrounding air.
  • the combustion of OME fuel significantly less emissions, especially no soot, arise, the mixture formation of air-fuel less of Concern. Therefore, it can be dispensed with a targeted impact of the injected OME fuel on the side wall, which would not be possible with diesel fuel. Therefore, in order to prevent burning of the trough lip, it is proposed to design the elevation angle ⁇ in such a way that the OME fuel now impinges on the side wall in the transition region close to the dome instead of the diesel fuel.
  • elevation angle ß is formed so that the injected OME fuel impinges in operation on the cathedral itself.
  • the elevation angle ⁇ is preferably in a range of 0 ° ⁇ ⁇ 75 °. Particularly advantageously, the elevation angle ⁇ is in a range of 30 ° ⁇ ⁇ 70 ° and in particular in a range of 45 ° ⁇ ⁇ 65 °.
  • the elevation angle ß must not be less than 75 ° due to the necessary mixture formation and is actually in a range of 75 ° to 82 °. If the elevation angle ⁇ is smaller than these values, undesirably much soot is produced as a combustion product.
  • the elevation angle ⁇ can be adjusted in a targeted manner so that the jet of the injected OME fuel no longer impinges on the trough in the area of the trough lip, but more centrally, which prevents the trough lip from burning off.
  • the injection nozzle has a flow rate HD 0 ME, which corresponds to an enlarged by a magnification factor V flow HD D i ese i an injection nozzle for diesel fuel, wherein the magnification factor V is dependent on a ratio of the heating value of diesel H U , DIESEL TO a calorific value of
  • OME fuel where:
  • V (H u, e D i s i / H U, OME) *, where 0.6 ⁇ K ⁇ 0.85. K is particularly advantageous in a range between 0.7 and 0.8.
  • the injector would normally have to be designed so that the flow HD for OME fuel is about twice as large as for diesel fuel. This twice the flow HD results in a large jet impulse which results in the burning location of the fuel moving away from the dome towards the trough lip as compared to diesel fuel. As a result, the trough lip is hotter and burns faster.
  • OME fuel a lower time unit At than diesel fuel ⁇ . This results in a lower Temperaturent ⁇ development in the exhaust gas.
  • the burnout ie the end of the combustion, is achieved much faster for OME fuel than for diesel fuel.
  • the exhaust gas temperature is important for the combustion chamber downstream elements of the internal combustion engine and must not exceed a predetermined value. Due to the faster burning of the
  • OME fuel compared to diesel fuel but surprisingly results in a reduced temperature in the exhaust gas, which causes the respective mass to be burned m Fuel can be injected into the combustion chamber for an equal amount of heat over a prolonged period of time.
  • the injector need not be designed to increase its flow HD by a magnification factor V corresponding to the ratio of the heating values H 0 of the two fuels, but to increase the injector by less than this magnification factor V.
  • the magnification factor V decreases by a factor K which lies in a range between 0.6 and 0.85.
  • the injection nozzle has nine to twelve injection holes, which are arranged symmetrically about the nozzle longitudinal axis.
  • Diesel fuel injection nozzles normally have about seven to ten injection holes to properly atomize the diesel fuel in the combustion chamber and to produce an optimum mixture with air.
  • a number of injection holes between nine and twelve has been found to be optimal.
  • the side wall of the trough has a radially extending away from the piston longitudinal axis, circumferentially around the Kol ⁇ benlteilsachse arranged recess whose depth in Er- extension direction a maximum of 1/4 of the distance of the piston longitudinal axis to a parallel to the piston longitudinal axis durau ⁇ fenden area of Sidewall is.
  • the trough lip is essentially formed by the region of the side wall running parallel to the piston longitudinal axis and protrudes in the direction of the piston longitudinal axis over the trough.
  • the side wall has the recess which forms an undercut disposed under the trough lip, normally injecting the diesel fuel into this recess to be offset with the desired momentum for a return flow. The risk of burning the trough lip by injecting the OME fuel instead of the diesel fuel can be reduced by the
  • Trough lip is formed significantly less pronounced.
  • Such a less pronounced characteristic than is normally provided in a diesel combustion chamber arrangement can be achieved by significantly reducing the recess and thus the undercut. Therefore, it is provided that the recess corresponds to a maximum of 1/4 of the distance between the parallel side wall, that is the end of the trough lip, to the piston longitudinal axis.
  • the side wall is formed inclined away from the piston longitudinal axis. It is also additionally or alternatively conceivable that the side wall has a continuous curvature, which is rectified to the curvature of the U-shaped transition region, but smaller than this curvature of the U-shaped transition region. This also makes the trough lip is much less pronounced formed or completely omitted and can not burn during operation.
  • a Muldenkolbens which translates in operation in the combustion chamber along a piston longitudinal axis, and having on a piston end a trough for receiving injected into the combustion chamber OME fuel, wherein the trough is formed symmetrically about the piston longitudinal axis and a central arranged dome, which is arranged in the direction of a trough bottom extending circumferentially around the piston longitudinal axis, a circumferentially about the piston longitudinal axis ⁇ arranged, extending substantially parallel to the piston longitudinal axis extending side wall for limiting the trough, and a U-shaped transition region between the dome and the side wall has;
  • the OME fuel is injected so that it occurs on the cathedral itself.
  • a combustion chamber arrangement described above is used to inject OME fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the combustion chamber arrangement is for injecting the
  • Fig. 1 is a sectional view of a combustion chamber arrangement for
  • FIG. 2 is a sectional view of a combustion chamber arrangement for
  • FIG. 4 is a sectional view of a combustion chamber arrangement with a hollow piston, which has an optimized for the injection of diesel fuel trough according to the prior
  • FIG. 5 shows a sectional illustration of a combustion chamber arrangement with a depression piston, which has a depression with an optimized geometry for the injection of OME fuel according to a first embodiment
  • FIG. 6 shows a sectional view of a combustion chamber arrangement with a depression piston, which has a depression with an optimized geometry for the injection of OME fuel according to a second embodiment
  • FIG. 7 is a sectional view of a combustion chamber for a
  • Diesel internal combustion engine from the prior art. 1 shows a sectional view of a combustion chamber arrangement 12 in a combustion chamber 10 of an internal combustion engine of the prior art, wherein the combustion chamber arrangement 12 is optimized for the injection of diesel fuel 20a.
  • the optimized combustion chamber assembly 12 for diesel fuel 20a has a ⁇ A spray nozzle 16, with which the diesel fuel is injected into the combustion chamber 10 20a.
  • a hollow piston 14 is provided which has a trough 22 with a geometry optimized for the injection of the diesel fuel 20a. In this case, the diesel fuel 20a is injected from the injection nozzle 16 specifically into the trough 22.
  • the trough 22 has a geometry that causes the diesel fuel 20a in the trough 22 to receive a motion pulse for a return flow, so that turbulence 40 is created so that the diesel fuel 20a mixes well with the air 24 disposed in the combustion chamber 10 can. This is important to keep emissions, especially the formation of soot particles, small. Due to the special geometry of the trough 22, the mixture of air 24-diesel fuel 20a is accordingly optimized.
  • the trough 22 is formed on average in such a way that it centrally forms a dome 28 arranged symmetrically about a piston longitudinal axis 26a, which extends in the direction away from a trough bottom 42 and is arranged circumferentially around the piston longitudinal axis 26.
  • the trough 22 includes a side wall 30 that defines the trough 22.
  • the side wall 30 extends substantially parallel to the piston longitudinal axis 26, but is formed to include two regions. Namely, on the one hand an actually parallel to the piston longitudinal axis 26 extending portion 44 is provided, which is arranged directly adjacent to a front end piston end 36.
  • Next 30 includes Be ⁇ tenwand a recess 34 which extends radially from the longitudinal axis of the piston 26 away. As a result, an undercut is formed in the trough 22 in plan view and thus a Trough lip 38, which projects beyond the trough 22 in the direction of the piston longitudinal axis 26.
  • the injection nozzle 16 is formed symmetrically about a longitudinal axis of the nozzle 46 and arranged so directed to a piston end face 18 that the nozzle longitudinal axis 46 and the piston longitudinal axis 26 coincide.
  • injection holes 48 which are located in the injection nozzle 16, also symmetrically formed not only around the nozzle longitudinal axis 46, but also symmetrically about the piston longitudinal axis 26 and therefore inject symmetrically into the trough 22 diesel fuel 20a.
  • a U-shaped transition region 32 is arranged to transfer a curvature 54 of the dome 28 in an oppositely directed curvature 54 of the side wall 30 in the region of the recess 34.
  • the injection holes 48 each have a hole axis 50 which substantially corresponds to the jet axis on which the diesel fuel 20a impinges in the trough 22.
  • An angle between the respective hole axis 50 and the nozzle longitudinal axis 46, which corresponds to the piston longitudinal axis 26, is referred to as elevation angle ⁇ .
  • the elevation angle ⁇ is designed such that the diesel fuel 20a impinges on the recess 34 and thus on the side wall 30 during operation.
  • the burning of the trough lip 38 results essentially in the fact that the OME fuel 20b burns closer to the trough lip 38 than the diesel fuel 20a.
  • the OME fuel 20b has a different ignition delay than diesel fuel 20a, and on the other hand, it hits a larger jet pulse in the trough 22. Due to the changed parameters ignition delay and jet pulse, the location in the trough 22 also changes, where the fuel burns off. This location is closer to the trough lip 38 than to diesel fuel 20a at OME fuel 20b.
  • the changed jet pulse results, in particular, from the fact that, due to the significantly lower calorific value, HU, 0 ME of the
  • OME fuel 20b compared to the calorific value Hu, Diesi of the diesel fuel 20a in the same time unit At a larger fuel mass m must be injected to release an equal power as the diesel fuel 20a, ie a same predefined heat to be generated. Therefore, the injector 16 is formed with a larger flow HD.
  • the larger flow HD however results in one larger fuel mass m per unit time At, resulting in a larger beam impulse.
  • FIG. 2 shows a sectional illustration of a combustion chamber arrangement 12 optimized with respect to the jet pulse, with which OME fuel 20 b is injected into the trough 22.
  • an elevation angle ⁇ between the nozzle longitudinal axis 46 and the hole axes 50 is significantly steeper in the case of the injection of OME fuel 20b than in the injection of diesel fuel 20a.
  • the OME fuel 20b impinges in the trough 22 in the U-shaped transition region 32 closer to the dome 28 than to the side wall 30.
  • the injection holes 48 are therefore arranged on the injection nozzle 16 so that there is an elevation angle ⁇ , which is smaller than in the injection of diesel fuel 20a.
  • the elevation angle ⁇ can not be smaller in the injection of diesel fuel 20a, since otherwise the incomplete mixture formation of diesel fuel 20a and air 24 will result in undesirable formation of soot during the combustion of the diesel fuel 20a.
  • the elevation angle is ß selected so that the fuel-OME 20b closer to the piston longitudinal axis 26, wherein ⁇ play on the mandrel 28 itself, strikes, as can be seen in Fig. 2. This is the combustion of the OME fuel 20b further away from the trough lip 38 and the trough lip 38 does not burn down during operation.
  • the elevation angle ⁇ is in a range between 0 ° and 75 °, advantageously between 30 ° and 70 °, and in particular between 45 ° and 65 °. These are angular ranges that would be unthinkable for the injection of a diesel fuel 20a.
  • FIG. 3 shows a diagram representing the burn-off behavior of diesel fuel 20a in comparison with the burn-off behavior of OME fuel 20b.
  • the crankshaft angle cr crk which essentially represents a time sequence, is shown on the x-axis.
  • the y-axis represents the energy released by the combustion in J / ° crk.
  • the burning of the diesel fuel 20a is shown with a black curve Darge ⁇
  • the burning of the OME fuel 20b is shown with a gray curve. It can be seen that both fuels 20 initially have an abrupt combustion start at about -10 ° crk and the combustion with the largest amount of energy released takes place mainly in a plateau range between 0 ° crk and 30 ° crk.
  • the respective end of the combustion is not abrupt as at the start of combustion, but runs slowly over time. It can be seen that the diesel fuel 20a releases energy or heat for a longer period of time (crankshaft angle range 45 ° crk - 70 ° crk), whereas this is no longer the case for the OME fuel 20b. Here, the end of the release of heat is already reached at a crankshaft angle of about 55 ° crk. OME fuel 20b burns faster in time than diesel fuel 20a at a mass m to be burned, which leads to an equal heat release. The fact that the diesel fuel 20 burns over a longer period ° crk, have the exhaust gases, the resul ⁇ animals from this combustion, a higher temperature than that of OME-fuel 20b.
  • the OME fuel 20b Due to the fact that the OME fuel 20b has a lower temperature development in the exhaust gas than the diesel fuel 20a, it is possible to inject the mass m, which leads to an equal heat release, into the combustion chamber 10 over a prolonged period At or A ° crk burn.
  • the injector 16 would have to be increased in proportion to this ratio in its flow HD in order to achieve an equal power / heat release.
  • the flow HD of the injector 16 for the OME fuel 20b would have to be increased by a magnification factor V in proportion to the flow HD of an injector 16 for the diesel fuel 20a so as to achieve the same performance by burning an increased mass m.
  • V (H u , D i ese i / H u , oME) *,
  • OME fuel 20b has a lower temperature development in the exhaust gas during its combustion and therefore can be injected into the combustion chamber 10 over a prolonged period. Therefore, for injecting the mass m enlarged by the magnification factor V, a larger period of time is available in which this mass m can be introduced into the combustion chamber 10. Therefore, the injection nozzle 16 no longer has to have a flow HD, which is considered in accordance with the magnification factor V only as a function of the two heating values H 0 , but the magnification factor V can be reduced by a factor K, which corresponds to the lower temperature in the exhaust gas.
  • V (H u , D i ese i / H u , oME) *,
  • K is advantageously between 0.6 and 0.85, and in particular between 0.7 and 0.8.
  • This has the advantage that the same mass m, due to the prolonged period of time it is injected, impinges with a smaller jet pulse in the trough 22, and therefore burns closer to the dome 28 than to the side wall 30.
  • the flow HD the injector 16 need not be, as expected, approximately doubled, but can be multiplied by a magnification factor V of only 1.4 to 1.7.
  • OME fuels 20b may be different.
  • the injection nozzle 16 nine to twelve injection holes 48, over which the
  • Fuel mass m of the OME fuel 20b is distributed injected.
  • injectors 16 for diesel fuel 20a typically have a number of injection holes in a range between seven and ten injection holes 48 Injection holes 48 are arranged symmetrically about the nozzle longitudinal axis 46.
  • the combustion chamber arrangement 12 can be optimized as described above by adapting the geometry of the injection nozzle 16.
  • a particularly advantageous embodiment would be an adaptation of both the geometry of the injection nozzle 16 as described above and an adaptation of the geometry of the trough 22, which will be described below.
  • the geometry of the trough 22 is advantageously designed so that the geometry of the bowl lip is adapted to the egg ⁇ properties of the new OME-fuel 20b 38th It is advantageous if the trough lip 38 is less pronounced or even completely omitted, since, as already explained above, a design of the trough geometry for mixture ⁇ education criteria for the use of OME fuel 20b, in contrast to the use of diesel fuel 20a not necessary is.
  • FIG. 4 shows a sectional illustration of a geometry of a trough 22 in the trough piston 14 which is customary for diesel fuel 20a. It can be seen that the trough lip 38 is very pronounced and the undercut or recess 34 has a large depth T in its direction of extent 52 that is radial to the Piston longitudinal axis 26, and thus is rather pronounced. Compared to a distance a between the parallel region 44 of the side wall 30 and the piston longitudinal axis 26, the recess 34 in the well 22 known from the prior art shown in Fig. 4 has a depth T which is about 1/3 of this Distance a is.
  • FIG. 5 shows a sectional view of a first embodiment of a well 22 adapted in its geometry to the injection of the OME fuel 20b. It can be seen here that the depth T of the recess 34 is at most 1/4 of the distance a between the parallel region 44 of the side wall 30 and the piston longitudinal axis 26 is. The smaller this depth T is chosen, the less strongly is the hollow lip 38 pronounced and can therefore burn off less quickly during operation.
  • FIG. 6 shows a sectional view of a second embodiment of a well geometry optimized for the injection of OME fuel 20b of the well 22 in the well piston 14.
  • the well lip 38 is no longer present at all.
  • the side wall 30 extends in a section parallel to the piston longitudinal axis 26 substantially rectilinearly at least in an adjacent to the end-side piston end 36 arranged portion of the side wall 30.
  • Fig. 6 shows an embodiment in which the side wall 30 is formed substantially inclined away from the piston longitudinal axis 26.
  • the side wall 30 adjacent to the end-side piston end 36 extends parallel to the piston longitudinal axis 26.
  • the side wall 30 advantageously has a curvature 54 which, starting from the trough bottom 42, gradually decreases towards the end-side piston end 36 and is smaller in particular from the beginning is as a curvature 54 of the U-shaped transition region 33rd

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Emergency Medicine (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennraumanordnung (12) zum Einspritzen eines OME-Kraftstoffes (20b) in einen Brennraum (10) einer Brennkraftmaschine, wobei ein Höhenwinkel β einer Einspritzdüse (16) derart ausgebildet ist, dass der eingespritzte OME-Kraftstoff (20b) im Betrieb möglichst nahe an einer Kolbenlängsachse (26) eines Muldenkolbens (14) auftrifft, auf den die Einspritzdüse (16) den OME-Kraftstoff (20b) spritzt. Weiter betrifft die Erfindung ein Einspritzverfahren zum Einspritzen eines OME-Kraftstoffes (20b) in einen Brennraum (10) einer Brennkraftmaschine, sowie die Verwendung der Brennraumanordnung (12) zum Einspritzen von OME-Kraftstoff (20b) in den Brennraum (10) der Brennkraftmaschine.

Description

Beschreibung
Brennraumanordnung für eine Brennkraftmaschine, Einspritzverfahren und Verwendung einer Brennraumanordnung zum Ein- spritzen von OME-Kraftstoff
Die Erfindung betrifft eine Brennraumanordnung zum Ausbilden eines Brennraumes für eine Brennkraftmaschine zum Verbrennen eines in den Brennraum eingespritzten OME-Kraftstoffes , ein Einspritzverfahren zum Einspritzen eines OME-Kraftstoffes in einen solchen Brennraum, sowie die Verwendung einer solchen Brennraumanordnung zum Einspritzen von OME-Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Bislang ist es bekannt, als Kraftstoff für eine Brennkraft¬ maschine Diesel oder Benzin bzw. Gas in einen Brennraum einzuspritzen, indem der jeweilige Kraftstoff verbrannt und dabei in dem Kraftstoff gespeicherte chemische Energie in Bewe¬ gungsenergie umgewandelt wird, sodass ein Kolben, der in dem Brennraum angeordnet ist, sich in Bewegung setzt und somit die Brennkraftmaschine antreibt. Wie der Brennraum zum Verbrennen des Diesels bzw. des Benzins ausgestaltet sein muss, um optimal Energieeffizient zu sein und eine möglichst Schadstoffarme Verbrennung zu ermöglichen, ist gut untersucht und bekannt.
Nun besteht jedoch die Problematik, dass besonders bei der Verwendung von Dieselkraftstoff gesetzliche Auflagen bezüglich des Klimaschutzes, das heißt insbesondere bezüglich uner¬ wünschter Emissionen, immer schwieriger zu erfüllen sind.
Daher gehen Bestrebungen dahin, Dieselkraftstoff durch synthetische Kraftstoffe zu ersetzen, die bei ihrer Verbrennung deutlich weniger Emissionen freisetzen. Ein Beispiel für einen solchen synthetischen Kraftstoff ist Oxymethylenether, sogenanntes OME, der eine besondere Eignung als Kraftstoff für Dieselmotoren aufweist, da er, wie auch Dieselkraftstoff, selbstzündend verbrennt. Im Gegensatz zu Diesel verbrennt OME jedoch deutlich emissionsärmer. Es wäre daher denkbar, Dieselkraftstoff auf lange Sicht durch
OME-Kraftstoff sukzessive zu ersetzen.
Trotz ähnlicher Zündeigenschaften von Dieselkraftstoff und OME-Kraftstoff bestehen Unterschiede in anderen physikalischen Parametern, insbesondere beim Heizwert Hu, der bei
OME-Kraftstoff im Vergleich zu Dieselkraftstoff deutlich ge¬ ringer ist. Der Heizwert H0 entspricht der Wärmemenge, die bei einer gleichen Masse m an Kraftstoff erzeugt werden kann. Im Schnitt ist der Heizwert H0 bei OME-Kraftstoffen etwa halb so groß wie bei Dieselkraftstoffen, das heißt, es müsste, wenn nur der Heizwert H0 betrachtet wird, für eine gleiche zu erzeugende Wärme - bzw. Energiemenge etwa im Schnitt die doppelte Masse m an Kraftstoff verbrannt werden.
Wird OME-Kraftstoff in einen Standard-Brennraum einer Diesel-Brennkraftmaschine eingespritzt, ergeben sich folgende Problematiken, die mit Bezug auf Fig. 7 kurz erläutert werden. Fig. 7 zeigt eine Schnittdarstellung eines Brennraumes 10 für eine Diesel-Brennkraftmaschine. In dem Brennraum 10 ist eine Brennraumanordnung 12 vorgesehen, die eine Muldenkolben 14 und einer Einspritzdüse 16 umfasst. Die Einspritzdüse 16 ist derart zu einer Kolbenstirnseite 18 gerichtet angeordnet, dass
Kraftstoff 20, der von der Einspritzdüse 16 in den Brennraum 10 eingespritzt wird, auf der Kolbenstirnseite 18 auftrifft.
Der Muldenkolben 14 weist eine Mulde 22 auf, in die der eingespritzte Kraftstoff 20, beispielsweise Dieselkraftstoff 20a, von der Einspritzdüse 16 gespritzt wird, und wo sich der Kraftstoff 20 durch eine spezielle geometrische Ausgestaltung der Mulde 22 mit einer ebenfalls in dem Brennraum 10 vorhandenen Luft 24 vermischt. Durch translatorische Auf- und Abbewegung des Muldenkolbens 14 entlang einer Kolbenlängsachse 26 verdichtet sich der Kraftstoff 20, der in den Brennraum 10 eingespritzt worden ist und sich mit der Luft vermischt hat, und entzündet sich an einem bestimmten Verdichtungspunkt selbst. Durch diese Entzündung wird chemische Energie, die in dem Kraftstoff 20 gespeichert ist, in kinetische Energie umgewandelt und für den Antrieb eines Dieselmotors verwendet.
In Fig. 7 ist zu erkennen, dass die Mulde 22 eine spezielle geometrische Form aufweist. Sie umfasst einen symmetrisch um die Kolbenlängsachse 26 zentral angeordneten Dom 28, sowie eine ebenfalls symmetrisch um die Kolbenlängsachse 26 ausgebildete Seitenwand 30 zum Begrenzen der Mulde 22. Zwischen dem Dom 28 und der Seitenwand 30 ist ein U-förmiger Übergangsbereich 32 vorgesehen. Die Seitenwand 30 bildet dadurch, dass eine radial zu der Kolbenlängsachse 26 angeordnete, sich von der Kolben¬ längsachse 26 weg erstreckende Ausnehmung 34 ausgebildet ist, im Bereich eines Kolbenendes 36 eine Muldenlippe 38 aus, die in Richtung auf den Dom 28 über die Mulde 22 ragt. Durch diese spezielle geometrische Ausgestaltung ist es möglich, Dieselkraftstoff 20a so von der Einspritzdüse 16 einspritzen zu lassen, dass er in der Ausnehmung 34 auf die Mulde 22 auftrifft, dort durch die Form der Ausnehmung 34 und den U-förmigen Übergangsbereich 32 sowie den Dom 28 kreisförmig nach innen abgelenkt wird und somit eine Verwirbelung 40 ausbildet, durch die sich der Dieselkraftstoff 20a besonders gut mit der vorhanden Luft 24 vermischen kann. Durch die besonders gute Vermischung von Luft 24 und Diesel¬ kraftstoff 20a entstehen bei der Verbrennung deutlich bessere Emissionswerte und insbesondere eine verringerte Rußbildung. Wird nun eine solche auf Diesel-Kraftstoff 20a ausgelegte
Brennraumanordnung 12 verwendet, um OME-Kraftstoff 20b in den Brennraum 10 einzuspritzen, besteht zunächst die Problematik, dass der OME-Kraftstoff 20b durch den geringeren Heizwert H0 deutlich weniger kinetische Energie erzeugt als der bislang verwendete Dieselkraftsoff 20a bei einer gleichen eingespritzten Kraftstoffmasse m. Um dies auszugleichen, müsste die Ein¬ spritzdüse 16 so angepasst werden, dass entsprechend des Faktors, um den der OME-Kraftstoff 20b weniger kinetische Energie erzeugt als ein Standard-Dieselkraftstoff 20a, die Einspritzdüse 16 in ihrem Durchfluss HD, das heißt der Masse m an Kraftstoff 20, der pro vordefinierter Zeiteinheit At in den Brennraum 10 gelangt, vergrößert ist. Das bedeutet jedoch, dass in der gleichen Zeiteinheit At deutlich mehr Masse m an Kraftstoff 20 in der Mulde 22 abbrennt.
In Versuchen hat sich herausgestellt, dass dadurch die Mul¬ denlippe 38 bei einer gleichen erwünschten Wärme - bzw.
Energieerzeugung abbrennt und der Muldenkolben 14 somit zerstört wird .
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brennraumanordnung zum Ausbilden eines Brennraumes für eine Brennkraftmaschine vor¬ zuschlagen, mit der OME-Kraftstoff dauerhaft zur Erzeugung einer entsprechend einem Dieselkraftstoff gleichen vordefinierten zu erzeugenden Wärme bzw. Leistung verbrannt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einer Brennraumanordnung mit der
Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst. Ein Einspritzverfahren zum Einspritzen eines OME-Kraftstoffes in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, sowie die Verwendung der Brennraumanordnung zum Einspritzen von OME-Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine sind Gegenstand der ne- bengeordneten Ansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Eine Brennraumanordnung zum Ausbilden eines Brennraumes für eine Brennkraftmaschine zum Verbrennen eines in den Brennraum eingespritzten OME-Kraftstoffes weist einen Muldenkolben, der sich im Betrieb in dem Brennraum entlang einer Kolbenlängsachse translatorisch bewegt, und eine Einspritzdüse zum Einspritzen des OME-Kraftstoffes in den Brennraum auf. Der Muldenkolben umfasst an einer Kolbenstirnseite eine Mulde zur Aufnahme des in dem Brennraum eingespritzten OME-Kraftstoffes , wobei die Mulde symmetrisch um die Kolbenlängsachse ausgebildet ist. Die Mulde weist einen zentral angeordneten Dom, der in Richtung von einem Muldenboden weg erstreckend umlaufend um die Kolbenlängsachse angeordnet ist, eine umlaufend um die Kolbenlängsachse ange¬ ordnete, sich weitgehend parallel zu der Kolbenlängsachse erstreckende Seitenwand zum Begrenzen der Mulde, und einen U-förmigen Übergangsbereich zwischen dem Dom und der Seitenwand auf. Die Einspritzdüse ist symmetrisch um eine Düsenlängsachse ausgebildet, wobei die Einspritzdüse derart zu der Kol¬ benstirnseite gerichtet angeordnet ist, dass die Kolben¬ längsachse und die Düsenlängsachse zusammenfallen. Die Ein¬ spritzdüse weist eine Mehrzahl von Einspritzlöchern mit jeweils einer Lochachse zum Einspritzen des OME-Kraftstoffes auf. Ein Höhenwinkel ß zwischen jeder der Lochachsen und der Düsenlängsachse ist so ausgebildet, dass der eingespritzte
OME-Kraftstoff im Betrieb in dem Übergangsbereich näher an dem Dom als auf der Seitenwand auftrifft.
Die Lochachse entspricht einer Strahlachse des eingespritzten Kraftstoffes . Wie bereits beschrieben, erhält ein normalerweise mit einer solchen Brennraumanordnung eingespritzter Dieselkraftstoff einen Bewegungsimpuls in der Mulde, der zu einer Rückströmung in Richtung des Domes führt, so dass der Dieselkraftstoff sich gut mit der Luft, die um den Dom herum angeordnet ist, mischt. Dies ist wichtig, um Emissionen, vor allem Rußbildung, klein zu halten, da durch diese Rückströmung und die folgende Vermischung das Gemisch Luft/Dieselkraftstoff optimiert wird. Aus diesem Grund weist die Mulde im Schnitt der Kolbenlängsachse die spezielle Form mit Dom, Übergangsbereich und Seitenwand auf.
OME-Kraftstoff hat nun jedoch im Vergleich zu Dieselkraftstoff einen deutlich kleineren Heizwert H0. Um eine gleiche Leistung wie beim Einspritzen von Dieselkraftstoff zu erhalten, wobei unter Leistung eine gleiche vordefinierte zu erzeugende Wärme pro Zeiteinheit At durch die Verbrennung verstanden werden soll, muss daher eine entsprechend des Faktors der Heizwertverrin¬ gerung vergrößerte Masse m an OME-Kraftstoff in der gleichen Zeiteinheit At eingespritzt und verbrannt werden. Zusätzlich hat OME-Kraftstoff einen anderen Zündverzug als Dieselkraftstoff. Die beiden Faktoren - Zündverzug und vergrößerte Masse m an eingespritztem Kraftstoff - haben einen veränderten Strahlimpuls von OME-Kraftstoff im Vergleich zu Dieselkraftstoff zur Folge und beeinflussen den Ort in der Mulde, wo der eingespritzte
Kraftstoff letztendlich abbrennt.
OME-Kraftstoff brennt daher näher an einer Muldenlippe ab als Dieselkraftstoff, was dazu führt, dass die Muldenlippe und somit der Muldenkolben zerstört wird. Um eine gute Gemischbildung Dieselkraftstoff-Luft auszubilden, wird Dieselkraftstoff normalerweise auf die Seitenwand der Mulde gespritzt. Ent¬ sprechend sind die Einspritzlöcher der Einspritzdüse so an¬ geordnet, dass Dieselkraftstoff gezielt auf die Seitenwand auftrifft und dort einen Bewegungsimpuls für eine Rückströmung erhält, um sich dann im Bereich des Domes mit der umgebenden Luft vermischen zu können. Da bei der Verbrennung von OME-Kraftstoff jedoch deutlich weniger Emissionen, insbesondere kein Ruß, entstehen, ist die Gemischbildung Luft-Kraftstoff weniger von Belang. Daher kann auf ein gezieltes Auftreffen des eingespritzten OME-Kraftstoffes auf die Seitenwand verzichtet werden, was beim Dieselkraftstoff nicht möglich wäre. Um daher ein Abbrennen der Muldenlippe zu verhindern, wird vorgeschlagen, den Höhenwinkel ß so auszubilden, dass der OME-Kraftstoff statt wie bisher beim Dieselkraftstoff zwingend vorgesehen auf die Seitenwand nun im Übergangsbereich nahe an dem Dom auftrifft.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist der Höhenwinkel ß so ausgebildet, dass der eingespritzte OME-Kraftstoff im Betrieb auf dem Dom selbst auftrifft.
Beim Einspritzen von Dieselkraftstoff wird gezielt vermieden, dass der Dieselkraftstoff auf den Dom auftrifft, da so eine für die Verbrennung notwendige Gemischbildung nicht gewährleistet werden kann. Da bei OME-Kraftstoff die Gemischbildung jedoch kein Problem darstellt, weil ohnehin kein Ruß bei der Verbrennung entsteht, ist es möglich, den OME-Kraftstoff so weit von der Seitenwand auftreffen zu lassen, dass er sogar auf den Dom auftreffen kann, und so ein Abbrennen der Muldenlippe verhindert werden kann.
Vorzugsweise liegt der Höhenwinkel ß dabei in einem Bereich von 0° < ß < 75°. Besonders vorteilhaft liegt der Höhenwinkel ß in einem Bereich von 30°< ß < 70° und insbesondere in einem Bereich von 45° < ß < 65°. Bei Dieselkraftstoff darf der Höhenwinkel ß aufgrund der nötigen Gemischbildung nicht kleiner als 75° sein und liegt eigentlich in einem Bereich von 75° bis 82°. Wird der Höhenwinkel ß kleiner als diese Werte, entsteht unerwünscht viel Ruß als Verbrennungsprodukt. Dies ist bei OME-Kraftstoff jedoch unbeachtlich, so dass gezielt der Höhenwinkel ß so eingestellt werden kann, dass der Strahl des eingespritzten OME-Kraftstoffes nicht mehr im Bereich der Muldenlippe in die Mulde auftrifft, sondern zentraler, was das Abbrennen der Muldenlippe verhindert.
Vorteilhaft weist die Einspritzdüse einen Durchfluss HD0ME auf, der einem um einen Vergrößerungsfaktor V vergrößerten Durchfluss HDDiesei einer Einspritzdüse für Dieselkraftstoff entspricht, wobei der Vergrößerungsfaktor V abhängig ist von einem Verhältnis des Heizwertes von Diesel HU,DIESEL ZU einem Heizwert von
OME-Kraftstoff HU,0ME eines im Betrieb einzuspritzenden
OME-Kraftstoffes , wobei gilt:
V = (Hu, Die sei/HU,OME) * , wobei 0,6 < K< 0,85. K liegt dabei besonders vorteilhaft in einem Bereich zwischen 0,7 und 0,8.
Bezüglich des unterschiedlichen Heizwertes H0 von OME-Kraftstoff und Dieselkraftstoff, die sich im Schnitt um einen Faktor von etwa 2 unterscheiden, müsste die Einspritzdüse normalerweise so ausgelegt sein, dass der Durchfluss HD für OME-Kraftstoff etwa doppelt so groß ist wie für Dieselkraftstoff. Dieser doppelt so große Durchfluss HD führt zu einem großen Strahlimpuls, der zur Folge hat, dass der Abbrennort des Kraftstoffes im Vergleich zu Dieselkraftstoff von dem Dom weg in Richtung der Muldenlippe wandert . Dadurch wird die Muldenlippe heißer und brennt schneller ab.
In Versuchen hat sich jedoch überraschend herausgestellt, dass OME-Kraftstoff schneller abbrennt als Dieselkraftstoff, d. h. die jeweils zu verbrennende Masse m der beiden Kraftstoffe, die zu einer gleichen Wärmeentwicklung führt, benötigt bei
OME-Kraftstoff eine geringere Zeiteinheit At als bei Diesel¬ kraftstoff. Dadurch resultiert eine geringere Temperaturent¬ wicklung im Abgas. Insbesondere ist der Ausbrand, d.h. das Ende der Verbrennung, für OME-Kraftstoff deutlich schneller erreicht als für Dieselkraftstoff.
Die Abgastemperatur ist für dem Brennraum nachgelagerte Elemente der Brennkraftmaschine wichtig und darf einen vorbestimmten Wert nicht überschreiten. Durch das schnellere Abbrennen des
OME-Kraftstoffes im Vergleich zu Dieselkraftstoff entsteht aber überraschenderweise eine verringerte Temperatur im Abgas, die dazu führt, dass die jeweils zu verbrennende Masse m an Kraftstoff für eine gleiche Wärmeentwicklung über einen verlängerten Zeitraum in den Brennraum eingespritzt werden kann.
Dadurch resultiert, dass die Einspritzdüse nicht so ausgelegt werden muss, dass ihr Durchfluss HD um einen Vergrößerungsfaktor V vergrößert wird, der dem Verhältnis der Heizwerte H0 der beiden Kraftstoffe entspricht, sondern dass die Einspritzdüse um weniger als diesen Vergrößerungsfaktor V vergrößert werden muss. In Bezug auf die Temperaturentwicklung verringert sich der Vergrößerungsfaktor V um einen Faktor K, der in einem Bereich zwischen 0,6 und 0,85 liegt.
Der somit im Vergleich zu dem erwarteten Durchfluss HD verringerte Durchfluss HD der Einspritzdüse für den OME-Kraftstoff führt zu einem verringerten Strahlimpuls und somit einem
Wegwandern des eingespritzten OME-KraftstoffStrahls von der Seitenwand in Richtung auf den Dom.
Vorzugsweise weist die Einspritzdüse neun bis zwölf Ein- spritzlöcher auf, die symmetrisch um die Düsenlängsachse angeordnet sind. Einspritzdüsen für Dieselkraftstoff weisen normalerweise etwa sieben bis zehn Einspritzlöcher auf, um den Dieselkraftstoff in dem Brennraum gut verdüsen und ein optimales Gemisch mit Luft herstellen zu können. Um den Strahlimpuls des eingespritzten OME-Kraftstoffes zu verringern, ist es vorteilhaft, mehr Einspritzlöcher vorzusehen, als dies bei Dieselkraftstoff der Fall ist. Um jedoch weiterhin eine durchführbare Herstellung der Einspritzdüse gewährleisten zu können, hat sich eine Anzahl von Einspritzlöchern zwischen neun und zwölf als optimal herausgestellt.
Vorteilhaft weist die Seitenwand der Mulde eine sich radial von der Kolbenlängsachse weg ersteckende, umlaufend um die Kol¬ benlängsachse angeordnete Ausnehmung auf, deren Tiefe in Er- Streckungsrichtung maximal 1/4 des Abstandes der Kolbenlängsachse zu einem parallel zu der Kolbenlängsachse verlau¬ fenden Bereich der Seitenwand beträgt. Die Muldenlippe wird im Wesentlichen durch den parallel zu der Kolbenlängsachse verlaufenden Bereich der Seitenwand gebildet und ragt in Richtung auf die Kolbenlängsachse über die Mulde hinweg. Die Seitenwand weist die Ausnehmung auf, die eine unter der Muldenlippe angeordnete Hinterschneidung ausbildet, wobei normalerweise der Dieselkraftstoff gezielt in diese Ausnehmung hineingespritzt wird, um mit dem gewünschten Bewegungsimpuls für eine Rückströmung versetzt zu werden. Die Gefahr des Abbrennens der Muldenlippe durch das Einspritzen des OME-Kraftstoffes statt des Dieselkraftstoffes kann verringert werden, indem die
Muldenlippe deutlich weniger stark ausgeprägt ausgebildet wird. Dadurch, dass eine weniger stark ausgeprägte Muldenlippe auch weniger stark abbrennt, wird auch der Muldenkolben weniger stark beschädigt. Eine solche weniger starke Ausprägung als norma- lerweise bei einer Diesel-Brennraumanordnung vorgesehen ist, kann erzielt werden, indem die Ausnehmung und somit die Hinterschneidung deutlich verringert ist. Daher ist vorgesehen, dass die Ausnehmung maximal 1/4 des Abstandes zwischen der parallelen Seitenwand, das heißt dem Ende der Muldenlippe, zu der Kolbenlängsachse entspricht.
In einer alternativen Ausgestaltung kann es jedoch auch vorgesehen sein, die Mulde vollständig ohne Muldenlippe vorzusehen, beispielsweise indem die Seitenwand von der Kolbenlängsachse weg geneigt ausgebildet ist. Es ist auch zusätzlich oder alternativ denkbar, dass die Seitenwand eine stetige Krümmung aufweist, die gleichgerichtet ist zu der Krümmung des U-förmigen Übergangsbereiches, aber kleiner als diese Krümmung des U-förmigen Übergangsbereiches. Auch hierdurch ist die Muldenlippe deutlich weniger stark ausgeprägt ausgebildet bzw. komplett weggelassen und kann im Betrieb nicht mehr abbrennen.
Ein vorteilhaftes Einspritzverfahren zum Einspritzen eines OME-Kraftstoffes in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine weist die folgenden Schritte auf:
a) Vorsehen eines Muldenkolbens, der sich im Betrieb in dem Brennraum entlang einer Kolbenlängsachse translatorisch bewegt, und der an einer Kolbenstirnseite eine Mulde zur Aufnahme von in dem Brennraum einzuspritzendem OME-Kraftstoff aufweist, wobei die Mulde symmetrisch um die Kolbenlängsachse ausgebildet ist und einen zentral angeordneten Dom, der in Richtung von einem Muldenboden weg erstreckend umlaufend um die Kolbenlängsachse angeordnet ist, eine umlaufend um die Kolbenlängsachse ange¬ ordnete, sich weitgehend parallel zu der Kolbenlängsachse erstreckende Seitenwand zum Begrenzen der Mulde, und einen U-förmigen Übergangsbereich zwischen dem Dom und der Seitenwand aufweist ;
b) Anordnen einer zu der Kolbenstirnseite gerichteten, symmetrisch um eine Düsenlängsachse ausgebildeten Einspritzdüse in dem Brennraum derart, dass die Kolbenlängsachse und die Dü¬ senlängsachse zusammenfallen;
c) Einspritzen von OME-Kraftstoff aus der Einspritzdüse in die Mulde derart, dass der OME-Kraftstoff in dem Übergangsbereich näher an dem Dom als an der Seitenwand auftritt.
Vorteilhaft wird der OME-Kraftstoff so eingespritzt, dass er auf dem Dom selbst auftritt.
Vorteilhaft wird eine oben beschriebene Brennraumanordnung verwendet, um OME-Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Die Brennraumanordnung ist dabei zum Einspritzen des
OME-Kraftstoffes derart optimiert, dass ein Muldenkolben im Betrieb nicht mehr auf unerwünschte Weise zerstört wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer Brennraumanordnung zum
Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer
Brennkraftmaschine aus dem Stand der Technik, wobei die Brennraumanordnung zum Einspritzen von Dieselkraftstoff ausgelegt ist; Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer Brennraumanordnung zum
Einspritzen eines OME-Kraftstoffes in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine; ein Diagramm, das ein Abbrennverhalten eines Dieselkraftstoffes im Vergleich zu einem Abbrennverhalten eines OME-Kraftstoffes schematisch darstellt;
Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer Brennraumanordnung mit einem Muldenkolben, der eine für die Einspritzung von Dieselkraftstoff optimierte Mulde gemäß dem Stand der
Technik aufweist;
Fig. 5 eine Schnittdarstellung einer Brennraumanordnung mit einem Muldenkolben, der eine Mulde mit einer für die Einspritzung von OME-Kraftstoff optimierten Geometrie gemäß einer ersten Ausführungsform aufweist;
Fig. 6 eine Schnittdarstellung einer Brennraumanordnung mit einem Muldenkolben, der eine Mulde mit einer für die Einspritzung von OME-Kraftstoff optimierten Geometrie gemäß einer zweiten Ausführungsform aufweist; und
Fig. 7 eine Schnittdarstellung eines Brennraumes für eine
Diesel-Brennkraftmaschine aus dem Stand der Technik. Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Brennraumanordnung 12 in einem Brennraum 10 einer Brennkraftmaschine aus dem Stand der Technik, wobei die Brennraumanordnung 12 für die Einspritzung von Dieselkraftstoff 20a optimiert ist. Die optimierte Brenn- raumanordnung 12 für Dieselkraftstoff 20a weist eine Ein¬ spritzdüse 16 auf, mit der der Dieselkraftstoff 20a in den Brennraum 10 eingespritzt wird. Zusätzlich ist ein Muldenkolben 14 vorgesehen, der eine Mulde 22 mit einer für die Einspritzung des Dieselkraftstoffes 20a optimierten Geometrie aufweist. Dabei wird der Dieselkraftstoff 20a von der Einspritzdüse 16 gezielt in die Mulde 22 eingespritzt.
Die Mulde 22 weist eine Geometrie auf, die dazu führt, dass der Dieselkraftstoff 20a in der Mulde 22 einen Bewegungsimpuls für eine Rückströmung erhält, so dass eine Verwirbelung 40 entsteht, damit der Dieselkraftstoff 20a sich gut mit der in dem Brennraum 10 angeordneten Luft 24 vermischen kann. Dies ist wichtig, um Emissionen, vor allem die Bildung von Rußpartikeln, klein zu halten. Durch die spezielle Geometrie der Mulde 22 wird demgemäß das Gemisch Luft 24-Dieselkraftstoff 20a optimiert. Die Mulde 22 ist im Schnitt so ausgebildet, dass sie zentral einen symmetrisch um eine Kolbenlängsachse 26a angeordneten Dom 28 ausbildet, der sich in Richtung von einem Muldenboden 42 weg erstreckt und umlaufend um die Kolbenlängsachse 26 angeordnet ist. Weiter umfasst die Mulde 22 eine Seitenwand 30, die die Mulde 22 begrenzt. Die Seitenwand 30 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu der Kolbenlängsachse 26, ist jedoch so ausgebildet, dass sie zwei Bereiche umfasst. Nämlich einerseits ist ein tatsächlich parallel zu der Kolbenlängsachse 26 verlaufender Bereich 44 vorgesehen, der direkt benachbart zu einem stirnseitigen Kolbenende 36 angeordnet ist. Weiter weist die Sei¬ tenwand 30 eine Ausnehmung 34 auf, die sich radial von der Kolbenlängsachse 26 weg erstreckt. Dadurch bildet sich in Draufsicht ein Hinterschnitt in der Mulde 22 und somit eine Muldenlippe 38 aus, die in Richtung auf die Kolbenlängsachse 26 über die Mulde 22 hinweg ragt.
Die Einspritzdüse 16 ist symmetrisch um eine Düsenlängsachse 46 ausgebildet und so zu einer Kolbenstirnseite 18 gerichtet angeordnet, dass die Düsenlängsachse 46 und die Kolbenlängsachse 26 zusammenfallen. Dadurch sind Einspritzlöcher 48, die sich in der Einspritzdüse 16 befinden, ebenfalls symmetrisch nicht nur um die Düsenlängsachse 46, sondern auch symmetrisch um die Kolbenlängsachse 26 ausgebildet und spritzen daher symmetrisch in die Mulde 22 Dieselkraftstoff 20a ein.
Zwischen dem Dom 28 und der Seitenwand 30 ist ein U-förmiger Übergangsbereich 32 angeordnet, um eine Krümmung 54 des Domes 28 in eine entgegengesetzt ausgerichtete Krümmung 54 der Seitenwand 30 im Bereich der Ausnehmung 34 zu überführen.
Die Einspritzlöcher 48 weisen jeweils eine Lochachse 50 auf, die im Wesentlichen der Strahlachse entspricht, auf der der Die- selkraftstoff 20a in der Mulde 22 auftrifft. Ein Winkel zwischen der jeweiligen Lochachse 50 und der Düsenlängsachse 46, die der Kolbenlängsachse 26 entspricht, wird dabei als Höhenwinkel ß bezeichnet . In der in Fig. 1 aus dem Stand der Technik bekannten Brennraumanordnung 12 für Dieselkraftstoff 20a ist der Höhenwinkel ß so ausgelegt, dass der Dieselkraftstoff 20a im Betrieb in die Ausnehmung 34 und somit auf die Seitenwand 30 auftrifft. Durch die spezielle geometrische Form der Mulde 22 wird der auf- treffende Dieselkraftstoff 20a in der Ausnehmung 34 nach unten, über den U-förmigen Übergangsbereich 32 auf den Dom 28 gelenkt und von dort nach oben weggeschleudert, so dass die Verwirbelung 40 entsteht und sich der Dieselkraftstoff 20a gut mit der Luft 24, die sich im Bereich um den Dom 28 befindet, vermischen kann. Dieses Gemisch entzündet sich dann bei der Bewegung des Muldenkolbens 14 von selbst, wobei die in dem Dieselkraftstoff 20a vorhandene chemische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird .
Bei der Einspritzung von OME-Kraftstoff 20b statt des Die¬ selkraftstoffes 20a mit einer Anordnung gemäß Fig. 1 hätte dies zur Folge, dass vor allem im Volllastbetrieb die Muldenlippe 38 abbrennt und somit der Muldenkolben 14 zerstört wird. Um eine Brennkraftmaschine mit einer üblichen Lebensdauer bereitzu¬ stellen ist dies ein unerwünschter Effekt.
Das Abbrennen der Muldenlippe 38 resultiert im Wesentlichen dadurch, dass der OME-Kraftstoff 20b näher an der Muldenlippe 38 abbrennt als der Dieselkraftstoff 20a.
Dies kommt zum Einen daher, dass der OME-Kraftstoff 20b einen anderen Zündverzug als Dieselkraftstoff 20a hat, und zum Anderen mit einem größeren Strahlimpuls in der Mulde 22 auftrifft. Durch die veränderten Parameter Zündverzug und Strahlimpuls verändert sich auch der Ort in der Mulde 22, wo der Kraftstoff abbrennt. Dieser Ort liegt bei OME-Kraftstoff 20b näher an der Muldenlippe 38 als bei Dieselkraftstoff 20a. Der veränderte Strahlimpuls resultiert insbesondere daher, dass aufgrund des deutlich geringeren Heizwertes HU , 0ME des
OME-Kraftstoffes 20b im Vergleich zum Heizwert Hu,Diesei des Dieselkraftstoffes 20a in der gleichen Zeiteinheit At eine größere Kraftstoffmasse m eingespritzt werden muss, um eine gleiche Leistung wie bei dem Dieselkraftstoff 20a, d. h. eine gleiche vordefinierte zu erzeugende Wärme, freizusetzen. Daher wird die Einspritzdüse 16 mit einem größeren Durchfluss HD ausgebildet. Der größere Durchfluss HD resultiert jedoch in einer größeren Kraftstoffmasse m pro Zeiteinheit At, was einen größeren Strahlimpuls zur Folge hat.
Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung einer bezüglich des Strahlimpulses optimierten Brennraumanordnung 12, mit der OME-Kraftstoff 20b in die Mulde 22 eingespritzt wird.
Bei Vergleich mit der Brennraumanordnung 12 in Fig. 1 ist zu sehen, dass ein Höhenwinkel ß jeweils zwischen der Düsen- längsachse 46 und den Lochachsen 50 deutlich steiler ausgebildet ist bei der Einspritzung von OME-Kraftstoff 20b als bei der Einspritzung von Dieselkraftstoff 20a. Dadurch trifft der OME-Kraftstoff 20b in der Mulde 22 im U-förmigen Übergangsbereich 32 näher an dem Dom 28 als an der Seitenwand 30 auf. Die Einspritzlöcher 48 werden daher an der Einspritzdüse 16 so angeordnet, dass sich ein Höhenwinkel ß ergibt, der kleiner ist als bei der Einspritzung von Dieselkraftstoff 20a.
Bei der Einspritzung von Dieselkraftstoff 20a muss wegen der Gemischbildung der Höhenwinkel ß in einer Größenordnung von
75°, d. h. eigentlich in einem Bereich von 75° - 82° liegen. Der Höhenwinkel ß kann bei der Einspritzung von Dieselkraftstoff 20a nicht kleiner sein, da sonst durch die nicht vollständige Gemischbildung von Dieselkraftstoff 20a und Luft 24 eine un- erwünschte Rußbildung bei der Verbrennung des Dieselkraftstoffes 20a auftritt.
Bei OME-Kraftstoff 20b stellt jedoch die Rußentwicklung bei der Verbrennung kein Problem dar, da Ruß kein Verbrennungsprodukt ist. Deshalb wird der Höhenwinkel ß so ausgewählt, dass der OME-Kraftstoff 20b näher an der Kolbenlängsachse 26, bei¬ spielsweise auf dem Dom 28 selbst, auftrifft, wie dies in Fig. 2 zu sehen ist. Damit erfolgt die Verbrennung des OME-Kraftstoffes 20b weiter von der Muldenlippe 38 entfernt und die Muldenlippe 38 brennt im Betrieb nicht mehr ab.
Der Höhenwinkel ß liegt dabei in einem Bereich zwischen 0° und 75°, vorteilhaft zwischen 30° und 70°, und insbesondere zwischen 45° und 65°. Dies sind Winkelbereiche, die für die Einspritzung eines Dieselkraftstoffes 20a undenkbar wären.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das das Abbrennverhalten von Die- selkraftstoff 20a im Vergleich zu dem Abbrennverhalten von OME-Kraftstoff 20b darstellt. Auf der x-Achse ist dabei der Kurbelwellenwinkel °crk dargestellt, der im Wesentlichen einen Zeitablauf repräsentiert. Die y-Achse stellt die durch die Verbrennung freigesetzte Energie in J/°crk dar. Das Abbrennen des Dieselkraftstoffes 20a ist mit einer schwarzen Kurve darge¬ stellt, während das Abbrennen des OME-Kraftstoffes 20b mit einer grauen Kurve dargestellt ist. Es ist zu sehen, dass beide Kraftstoffe 20 zunächst bei etwa -10 °crk einen abrupten Verbrennungsstart aufweisen und die Verbrennung mit der größten freigesetzten Energiemenge hauptsächlich in einem Plateaubereich zwischen 0 °crk und 30 °crk stattfindet. Das jeweilige Ende der Verbrennung ist nicht abrupt wie beim Verbrennungsstart, sondern läuft über die Zeit langsam aus. Es ist zu erkennen, dass der Dieselkraftstoff 20a noch über einen längeren Zeitraum Energie bzw. Wärme freisetzt (Kurbelwellenwinkelbereich 45 °crk - 70 °crk) , während dies bei OME-Kraftstoff 20b nicht mehr der Fall ist. Hier wird das Ende der Freisetzung von Wärme bereits bei einem Kurbelwellenwinkel von etwa 55 °crk erreicht. OME- Kraftstoff 20b brennt also zeitlich gesehen schneller ab als Dieselkraftstoff 20a bei einer zu verbrennenden Masse m, die zu einer gleichen Wärmefreisetzung führt. Dadurch, dass der Dieselkraftstoff 20a über einen längeren Zeitraum °crk verbrennt, weisen die Abgase, die aus dieser Verbrennung resul¬ tieren, eine höhere Temperatur auf, als die von OME-Kraftstoff 20b. Dadurch, dass der OME-Kraftstoff 20b eine geringere Temperaturentwicklung im Abgas aufweist als der Dieselkraftstoff 20a ist es möglich, die Masse m, die zu einer gleichen Wärmefreisetzung führt, über einen verlängerten Zeitraum At bzw. A°crk in den Brennraum 10 einzuspritzen und zu verbrennen.
Wenn lediglich das Verhältnis der Heizwerte H0 der beiden Kraftstoffe 20 betrachtet würde, müsste die Einspritzdüse 16 entsprechend dieses Verhältnisses in ihrem Durchfluss HD vergrößert werden, um eine gleiche Leistung/Wärmefreisetzung zu erreichen .
Der Durchfluss HD der Einspritzdüse 16 für den OME-Kraftstoff 20b müsste um einen Vergrößerungsfaktor V vergrößert werden im Verhältnis zu dem Durchfluss HD einer Einspritzdüse 16 für den Dieselkraftstoff 20a, um somit durch die Verbrennung einer vergrößerten Masse m die gleiche Leistung erzielen zu können. Es würde dabei die Beziehung gelten: V = (Hu,Diesei/Hu,oME) * ,
Es hat sich nun jedoch überraschenderweise herausgestellt, dass OME-Kraftstoff 20b eine geringere Temperaturentwicklung im Abgas bei seiner Verbrennung aufweist und daher über einen verlängerten Zeitraum in den Brennraum 10 eingespritzt werden kann. Daher steht zum Einspritzen der um den Vergrößerungsfaktor V vergrößerten Masse m ein größerer Zeitraum zur Verfügung, in dem diese Masse m in den Brennraum 10 eingebracht werden kann. Daher muss die Einspritzdüse 16 nicht mehr einen Durchfluss HD aufweisen, der entsprechend dem Vergrößerungsfaktor V lediglich in Abhängigkeit der beiden Heizwerte H0 betrachtet wird, sondern der Vergrößerungsfaktor V kann um einen Faktor K, der der geringeren Temperatur im Abgas entspricht, verkleinert werden. Es gilt daher bei der Vergrößerung des Durchflusses HD der Einspritzdüse 16 für den OME-Kraftstoff 20b im Vergleich zu dem Durchfluss HD der Einspritzdüse 16 für den Dieselkraftstoff 20a: V = (Hu,Diesei/Hu,oME) * ,
Aus Messungen hat sich ergeben, dass K vorteilhaft zwischen 0,6 und 0,85, und insbesondere zwischen 0,7 und 0,8 liegt. Dies hat den Vorteil, dass die gleiche Masse m durch die verlängerte Zeitdauer, die sie eingespritzt wird, mit einem geringeren Strahlimpuls in der Mulde 22 auftrifft, und daher näher am Dom 28 als an der Seitenwand 30 abbrennt. Unterscheidet sich der Heizwert HU , 0ME des OME-Kraftstoffes 20b daher beispielsweise von dem Heizwert Hu,Diesei des Diesel¬ kraftstoffes 20a um einen Vergrößerungsfaktor V = 2, muss der Durchfluss HD der Einspritzdüse 16 nicht, wie erwartet, etwa verdoppelt werden, sondern kann mit einem Vergrößerungsfaktor V von lediglich 1,4 bis 1,7 multipliziert werden.
Der Unterschied des Heizwertes H0 um einen Vergrößerungsfaktor V = 2 ist dabei nur beispielhaft genannt, da dieser Vergrö¬ ßerungsfaktor V von den Eigenschaften des jeweiligen
OME-Kraftstoffes 20b abhängt, der für verschiedene
OME-Kraftstoffe 20b unterschiedlich sein kann.
Um weiter den Strahlimpuls zu verringern, weist die Einspritzdüse 16 neun bis zwölf Einspritzlöcher 48 auf, über die die
Kraftstoffmasse m des OME-Kraftstoffes 20b verteilt eingespritzt wird. Einspritzdüsen 16 für Dieselkraftstoff 20a haben im Vergleich dazu in der Regel eine Anzahl von Einspritzlöchern in einem Bereich zwischen sieben und zehn Einspritzlöchern 48. Die Einspritzlöcher 48 sind dabei symmetrisch um die Düsenlängsachse 46 angeordnet.
Um das Abbrennen der Muldenlippe 38 zu vermeiden, kann die Brennraumanordnung 12 wie oben beschrieben durch Anpassung der Geometrie der Einspritzdüse 16 optimiert werden.
Es gibt jedoch auch die Möglichkeit, stattdessen die Geometrie der Mulde 22 selbst anzupassen, um ein solches Abbrennen der Muldenlippe 38 verhindern.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung wäre eine Anpassung sowohl der Geometrie der Einspritzdüse 16 wie oben beschrieben als auch eine Anpassung der Geometrie der Mulde 22, die nachfolgend beschrieben wird.
Insbesondere ist die Geometrie der Mulde 22 vorteilhaft so ausgelegt, dass die Geometrie der Muldenlippe 38 an die Ei¬ genschaften des neuen OME-Kraftstoffes 20b angepasst ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Muldenlippe 38 weniger stark ausgeprägt oder sogar ganz weggelassen wird, da, wie bereits oben erläutert, eine Auslegung der Muldengeometrie nach Gemisch¬ bildungskriterien für den Einsatz von OME-Kraftstoff 20b im Gegensatz zu dem Einsatz von Dieselkraftstoff 20a nicht notwendig ist.
Ist die Muldenlippe 38 nicht mehr oder nur sehr wenig ausgeprägt vorhanden, kann sie auch nicht mehr abbrennen. Fig. 4 zeigt eine Schnittdarstellung einer für Dieselkraftstoff 20a üblichen Geometrie einer Mulde 22 in dem Muldenkolben 14. Es ist zu sehen, dass die Muldenlippe 38 sehr stark ausgeprägt ist und dazu der Hinterschnitt bzw. die Ausnehmung 34 eine große Tiefe T in ihre Erstreckungsrichtung 52, das heißt radial zu der Kolbenlängsachse 26, aufweist und somit eher groß ausgeprägt ist. Im Vergleich zu einem Abstand a zwischen dem parallel verlaufenden Bereich 44 der Seitenwand 30 und der Kolbenlängsachse 26 weist die Ausnehmung 34 bei der in Fig. 4 gezeigten, aus dem Stand der Technik bekannten Mulde 22 eine Tiefe T auf, die etwa 1/3 dieses Abstandes a beträgt.
Fig. 5 zeigt eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer in ihrer Geometrie an die Einspritzung des OME-Kraftstoffes 20b angepassten Mulde 22. Es ist zu erkennen, dass hier die Tiefe T der Ausnehmung 34 maximal 1/4 des Abstands a zwischen dem parallel verlaufenden Bereich 44 der Seitenwand 30 und der Kolbenlängsachse 26 beträgt. Je kleiner diese Tiefe T gewählt ist, desto weniger stark ist die Muldenlippe 38 ausgeprägt und kann daher im Betrieb weniger schnell abbrennen.
Fig. 6 zeigt eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer bezüglich der Einspritzung von OME-Kraftstoff 20b optimierten Muldengeometrie der Mulde 22 in dem Muldenkolben 14. Hier ist zu sehen, dass die Muldenlippe 38 überhaupt nicht mehr vorhanden ist. Dazu verläuft die Seitenwand 30 in einem Schnitt parallel zu der Kolbenlängsachse 26 im Wesentlichen geradlinig zumindest in einem benachbart zu dem stirnseitigen Kolbenende 36 angeordneten Bereich der Seitenwand 30. Die Ausnehmung 34 und somit die Hinterschneidung fehlt in dieser zweiten Ausführungsform komplett. Ist keine Muldenlippe 38 mehr vorhanden, kann auch keine Muldenlippe 38 mehr abbrennen.
Fig. 6 zeigt dabei eine Ausführungsform, bei der die Seitenwand 30 im Wesentlichen von der Kolbenlängsachse 26 weg geneigt ausgebildet ist. Es ist jedoch auch alternativ denkbar, dass die Seitenwand 30 benachbart zu dem stirnseitigen Kolbenende 36 parallel zu der Kolbenlängsachse 26 verläuft. Um einen im Wesentlichen geradlinigen Verlauf der Seitenwand 30 im Bereich des stirnseitigen Kolbenendes 36 zu erreichen, weist die Seitenwand 30 vorteilhaft eine Krümmung 54 auf, die sich ausgehend von dem Muldenboden 42 bis zu dem stirnseitigen Kolbenende 36 hin stetig verkleinert und insbesondere von Anfang an kleiner ist als eine Krümmung 54 des U-förmigen Übergangsbereiches 33.

Claims

Patentansprüche
1. Brennraumanordnung (12) zum Ausbilden eines Brennraumes (10) für eine Brennkraftmaschine zum Verbrennen eines in den Brennraum (10) eingespritzten OME-Kraftstoffes (20b), auf¬ weisend :
einen Muldenkolben (14), der sich im Betrieb in dem Brennraum (10) entlang einer Kolbenlängsachse (26) transla¬ torisch bewegt, und der an einer Kolbenstirnseite (18) eine Mulde (22) zur Aufnahme des in den Brennraum (10) eingespritzten OME-Kraftstoffes (20b) aufweist, wobei die Mulde (22) sym¬ metrisch um die Kolbenlängsachse (26) ausgebildet ist und einen zentral angeordneten Dom (28), der in Richtung von einem Muldenboden (42) weg erstreckend umlaufend um die Kolben- längsachse (26) angeordnet ist, eine umlaufend um die Kol¬ benlängsachse (26) angeordnete, sich weitgehend parallel zu der Kolbenlängsachse (26) erstreckende Seitenwand (30) zum Begrenzen der Mulde (22), und einen U-förmigen Übergangsbereich (32) zwischen dem Dom (28) und der Seitenwand (30) aufweist; und - eine Einspritzdüse (16) zum Einspritzen des
OME-Kraftstoffes (20b) in den Brennraum (10), wobei die Ein¬ spritzdüse (16) symmetrisch um eine Düsenlängsachse (46) ausgebildet ist, wobei die Einspritzdüse (16) derart zu der Kolbenstirnseite (18) gerichtet angeordnet ist, dass die Kolbenlängsachse (26) und die Düsenlängsachse (46) zusammen¬ fallen,
wobei die Einspritzdüse (16) eine Mehrzahl von Einspritzlöchern (48) mit jeweils einer Lochachse (50) zum Einspritzen des OME-Kraftstoffes (20b) aufweist;
wobei ein Höhenwinkel ß zwischen jeder der Lochachsen (50) und der Düsenlängsachse (46) so ausgebildet ist, dass der eingespritzte OME-Kraftstoff (20b) im Betrieb in dem Übergangsbereich (32) näher an dem Dom (28) als an der Seitenwand (30) auftrifft.
2. Brennraumanordnung (12) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenwinkel ß so ausgebildet ist, dass der eingespritzte OME-Kraftstoff (20b) im Betrieb auf dem Dom (28) auftrifft.
3. Brennraumanordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenwinkel ß in einem Bereich von 0° < ß < 75 °, insbesondere 30° < ß < 70°, mehr insbesondere 45° < ß < 65°, liegt.
4. Brennraumanordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (16) einen Durchfluss HD0ME aufweist, der einem um einen Vergrößerungsfaktor (V) vergrößerten Durchfluss HDDiesei einer Einspritzdüse (16) für einen Dieselkraftstoff (20a) entspricht, wobei der Vergröße¬ rungsfaktor (V) abhängig ist von einem Verhältnis des Heizwertes Hu, Diesei von Diese1krafstoff (20a) zu einem Heizwert HU , 0ME von OME-Kraftstoff (20b) eines im Betrieb einzuspritzenden
OME-Kraftstoffes (20b), wobei gilt:
V = (Hu,Diesei/HU , OME ) * K, wobei 0,6 < K < 0,85, insbesondere 0,7 < K < 0,8.
5. Brennraumanordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (16) neun bis zwölf Einspritzlöcher (48) aufweist, die symmetrisch um die Düsenlängsachse (46) angeordnet sind.
6. Brennraumanordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwand (30) der Mulde (22) eine sich radial von der Kolbenlängsachse (26) weg erstreckende, umlaufend um die Kolbenlängsachse (26) angeordnete Ausnehmung (34) aufweist, deren Tiefe (T) in Erstreckungsrichtung (52) maximal 1/4 des Abstandes (a) der Kolbenlängsachse (26) zu einem parallel zu der Kolbenlängsachse (26) verlaufenden Bereich (44) der Seitenwand (30) beträgt.
7. Brennraumanordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwand (30) der Mulde (22) von der Kolbenlängsachse (26) weg geneigt ausgebildet ist und/oder eine stetige Krümmung (54) aufweist, die gleichge- richtet ist zu aber kleiner ist als eine Krümmung (54) des U-förmigen Übergangsbereichs (32).
8. Einspritzverfahren zum Einspritzen eines OME-Kraftstoffes (20b) in einen Brennraum (10) einer Brennkraftmaschine, auf¬ weisend die Schritte:
a) Vorsehen eines Muldenkolbens (14), der sich im Betrieb in dem Brennraum (10) entlang einer Kolbenlängsachse (26) translatorisch bewegt, und der an einer Kolbenstirnseite (18) eine Mulde (22) zur Aufnahme von in den Brennraum (10) einzuspritzendem OME-Kraftstoff (20b) aufweist, wobei die Mulde (22) symmetrisch um die Kolbenlängsachse (26) ausgebildet ist und einen zentral angeordneten Dom (28) , der in Richtung von einem Muldenboden (42) weg erstreckend umlaufend um die Kolben- längsachse (26) angeordnet ist, eine umlaufend um die Kol¬ benlängsachse (26) angeordnete, sich weitgehend parallel zu der Kolbenlängsachse (26) erstreckende Seitenwand (30) zum Begrenzen der Mulde (22), und einen U-förmigen Übergangsbereich (32) zwischen dem Dom (28) und der Seitenwand (30) aufweist;
b) Anordnen einer zu der Kolbenstirnseite (18) gerichteten, symmetrisch um eine Düsenlängsachse (46) ausgebildeten Einspritzdüse (16) in dem Brennraum (10) derart, dass die Kol¬ benlängsachse (26) und die Düsenlängsachse (46) zusammenfallen; c) Einspritzen von OME-Kraftstoff (20b) aus der Einspritzdüse (16) in die Mulde (22) derart, dass der OME-Kraftstoff (20b) in dem Übergangsbereich (32) näher an dem Dom (28) als an der Seitenwand (30) auftrifft.
9. Einspritzverfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der OME-Kraftstoff (20b) so eingespritzt wird, dass er auf dem Dom (28) auftrifft.
10. Verwendung einer Brennraumanordnung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Einspritzen von OME-Kraftstoff (20b) in einen Brennraum (10) einer Brennkraftmaschine.
EP18716179.9A 2017-04-07 2018-03-29 Brennraumanordnung für eine brennkraftmaschine, einspritzverfahren und verwendung einer brennraumanordnung zum einspritzen von ome-kraftstoff Ceased EP3607187A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017206021.2A DE102017206021B3 (de) 2017-04-07 2017-04-07 Brennraumanordnung für eine Brennkraftmaschine, Einspritzverfahren und Verwendung einer Brennraumanordnung zum Einspritzen von OME-Kraftstoff
PCT/EP2018/058080 WO2018184977A1 (de) 2017-04-07 2018-03-29 Brennraumanordnung für eine brennkraftmaschine, einspritzverfahren und verwendung einer brennraumanordnung zum einspritzen von ome-kraftstoff

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3607187A1 true EP3607187A1 (de) 2020-02-12

Family

ID=61911565

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP18716179.9A Ceased EP3607187A1 (de) 2017-04-07 2018-03-29 Brennraumanordnung für eine brennkraftmaschine, einspritzverfahren und verwendung einer brennraumanordnung zum einspritzen von ome-kraftstoff

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3607187A1 (de)
DE (1) DE102017206021B3 (de)
WO (1) WO2018184977A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017206015B4 (de) * 2017-04-07 2019-05-29 Continental Automotive Gmbh Brennraumanordnung für eine Brennkraftmaschine und Verwendung einer Brennraumanordnung zum Einspritzen von OME-Kraftstoff
CN118734491B (zh) * 2024-07-19 2025-10-10 中国人民解放军国防科技大学 考虑尺度效应作用的大尺度凹腔火焰稳定器设计方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7431012B1 (en) 2007-10-01 2008-10-07 General Electric Company Diesel combustion system with re-entrant piston bowl
US8146563B2 (en) 2008-09-24 2012-04-03 Deere & Company Internal combustion engine with high squish piston
US8468998B2 (en) 2010-04-01 2013-06-25 GM Global Technology Operations LLC Engine having fuel injection induced combustion chamber mixing
EP2696051A1 (de) 2012-08-08 2014-02-12 Waldland Naturstoffe GmbH Direkteinspritzende Brennkraftmaschine
FR3016926B1 (fr) * 2014-01-29 2018-12-07 IFP Energies Nouvelles Moteur a combustion a injection directe de combustible et plus particulierement moteur a allumage par compression avec faible taux de compression
JP6128091B2 (ja) * 2014-09-30 2017-05-17 マツダ株式会社 ディーゼルエンジンおよびその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018184977A1 (de) 2018-10-11
DE102017206021B3 (de) 2018-10-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10147529B4 (de) Verfahren zum Betreiben einer mit selbstzündbarem Kraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine
EP1045136B1 (de) Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenbrennkraftmaschine und Einspritzdüse zur Durchführung des Verfahrens
DE60016431T2 (de) Verfahren zum regeln der brennstoffeinspritzung in einer brennkraftmaschine
EP1180211B1 (de) Verfahren zum einspritzen von kraftstoff und einspritzventil zur durchführung des verfahrens
DE112015004524B4 (de) Kraftstoffeinspritzdüse mit Düse variabler Lochgröße und Sprühwinkel und MHBIB
DE2901211C2 (de) Verfahren zum Betrieb einer luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
DE69214605T2 (de) Brennkraftmaschine mit verdichtungszündung und direkter einspritzung
WO1998019058A1 (de) Verfahren zum betreiben einer brennkraftmaschine
DE1576030C3 (de) Brennkraftmaschine mit als Zund kerzenvorkammer ausgebildeter Verdampfungs kammer
DE4135135A1 (de) Selbstzuendende hubkolbenbrennkraftmaschine
DE112008000329B4 (de) Vorrichtung und Verfahren für einen Verbrennungsmotor
DE69703215T2 (de) Verfahren zum mischen und zünden eines brennstoffs in einer zum zylinder offenen vorkammer
DE60217021T2 (de) Verfahren zur Steuerung der Brennstoffeinspritzung einer Brennkraftmaschine mit Direkteinspritzung
DE10012970A1 (de) Verfahren zur Bildung eines zündfähigen Kraftstoff-Luftgemischs
DE102017206021B3 (de) Brennraumanordnung für eine Brennkraftmaschine, Einspritzverfahren und Verwendung einer Brennraumanordnung zum Einspritzen von OME-Kraftstoff
DE60224788T2 (de) Verfahren zum gesteueruten einspritzen von fluid in eine brennkraftmaschine
WO2018033232A1 (de) Verfahren zum betreiben einer verbrennungskraftmaschine, sowie verbrennungskraftmaschine
DE10359445A1 (de) Wasserstoff-Verbrennungsmotor
EP0083001B1 (de) Kraftstoffeinspritzsystem für Kraftstoffdirekteinspritzung bei Brennkraftmaschinen
DE102017206015B4 (de) Brennraumanordnung für eine Brennkraftmaschine und Verwendung einer Brennraumanordnung zum Einspritzen von OME-Kraftstoff
DE60220429T2 (de) Verbrennungsmotor mit fremdzündung und direkter kraftstoffeinspritzung, umfassend ein system zur direkteinspritzung unter sehr hohem druck
DE69709806T2 (de) Brennkammer einer Dieselbrennkraftmaschine
DE102022109745B3 (de) Vorrichtung zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs
EP4399399A1 (de) Verfahren zum betrieb einer verbrennungskraftmaschine, verbrennungskraftmaschine und steuereinrichtung
EP2649282B1 (de) Verfahren zur zündung von kraftstoff in einem verbrennungsmotor mit kompressionsinduzierter selbstzündung

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20191107

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: VITESCO TECHNOLOGIES GMBH

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20210111

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R003

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN REFUSED

18R Application refused

Effective date: 20210718