WO2018184969A1

WO2018184969A1 - Brennraumanordnung zum verbrennen eines ome-kraftstoffes sowie verwendung der brennraumanordnung zum einspritzen von ome-kraftstoff in einen brennraum einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: WO2018184969A1
Application number: PCT/EP2018/058059
Authority: WO
Inventors: Oliver Kastner; Oliver Maiwald; Gerd RÖSEL; Rolf BRÜCK
Original assignee: Continental Automotive Gmbh
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2018-10-11
Also published as: DE102017206019B3; EP3607185A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennraumanordnung (10) zum Einspritzen eines OME-Kraftstoffes (42), wobei ein Kolben (46) an einer Kolbenstirnseite (20) zumindest in dem Bereich, in dem im Betrieb der OME-Kraftstoff (42) auftrifft, als Ebene (48) ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch eine Brennraumanordnung (10), bei der der Kolben (46) als Muldenkolben (16) mit einer Mulde (22) ausgebildet ist, die in einem Schnitt parallel zu einer Kolbenlängsachse (26) eine stetige Krümmung (K) aufweist. Zusätzlich betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Brennraumanordnung (10) zum Einspritzen von OME-Kraftstoff (42) in einen Brennraum (12) einer Brennkraftmaschine.

Description

Beschreibung

Brennraumanordnung zum Verbrennen eines OME-Kraftstoffes sowie Verwendung der Brennraumanordnung zum Einspritzen von

OME-Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Brennraumanordnung zum Ausbilden eines Brennraumes für eine Brennkraftmaschine zum Verbrennen eines in den Brennraum eingespritzten OME-Kraftstoffes , sowie die Verwendung der Brennraumanordnung zum Einspritzen von

OME-Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.

Bekannt sind Brennkraftmaschinen, bei denen in einem speziell ausgebildeten Brennraum Kraftstoffe in Form von Diesel oder Benzin verbrannt werden, wobei während der Verbrennung die in dem jeweiligen Kraftstoff als chemische Energie gespeicherte Energie in mechanische Energie umgewandelt wird, um so die Brenn^¬ kraftmaschine anzutreiben. Gesetzliche Auflagen des Klimaschutzes erfordern eine immer größere Verringerung von Schadstoffemissionen, die bei einer solchen KraftstoffVerbrennung auftreten. Wichtige Emissionen, die es dabei zu verringern gilt, betreffen dabei Kohlenwas^¬ serstoffe, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Rußpartikel und

Stickstoffoxide, die insbesondere bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff ein großes Problem darstellen.

Ein neuartiger Ansatz ist es, statt der bekannten Kraftstoffe Benzin oder Diesel Oxymethylenether, genannt OME, als Kraft- stoffalternative einzusetzen.

Insbesondere im Vergleich zum Diesel-Kraftstoff hat

OME-Kraftstoff den Vorteil, dass die Verbrennung des

OME-Kraftstoffes sauberer abläuft. Daher wäre es wünschenswert, wenn Dieselkraftstoff sukzessive durch den Einsatz von OME als Kraftstoff ersetzt werden könnte.

Jedoch weist OME-Kraftstoff im Vergleich zu Dieselkraftstoff einen deutlich geringeren Heizwert H₀ auf, das heißt, bei einer gleichen Kraftstoffmasse m, die verbrannt wird, wird deutlich weniger Wärme bzw. Energie aus dem OME-Kraftstoff freigesetzt, als es bei Dieselkraftstoff der Fall ist. Daher müsste, um eine in etwa gleiche Leistung wie beim Verbrennen des Diesel- kraftstoffes zu erzielen, entsprechend des Heizwertunter^¬ schiedes eine entsprechend vergrößerte Masse an OME-Kraftstoff verbrannt werden. Es müsste deshalb auch ein entsprechend vergrößerter Tank zum Bereitstellen des OME-Kraftstoffes vorgesehen sein, was nicht unbedingt wünschenswert ist.

Besser wäre es, die chemische Energie in dem OME-Kraftstoff mit einem höheren Wirkungsgrad nutzen zu können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brennraumanordnung zum Verbrennen eines in einem Brennraum eingespritzten

OME-Kraftstoffes vorzuschlagen, die einen höheren Wirkungsgrad aufweist .

Diese Aufgabe wird mit einer Brennraumanordnung mit der

Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst.

Eine Verwendung einer solchen Brennraumanordnung zum Einspritzen von OME-Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruches.

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 Kolben auf, der sich im Betrieb in dem Brennraum entlang einer Kolbenlängsachse translatorisch bewegt. Weiter weist die Brennraumanordnung eine Einspritzdüse zum Einspritzen des OME-Kraftstoffes in den Brennraum derart auf, dass der im Betrieb eingespritzte

OME-Kraftstoff auf eine Kolbenstirnseite des Kolbens auftrifft, wobei die Kolbenstirnseite zumindest in dem Bereich, in dem im Betrieb der OME-Kraftstoff auftrifft, als Ebene ausgebildet ist, wobei die Kolbenlängsachse die Flächnnormale der Ebene ist.

Bisher im Stand der Technik bekannte Brennraumanordnungen zum Verbrennen von Kraftstoffen wie Diesel und Benzin sind darauf ausgelegt, die Emissionen, bei Diesel insbesondere die Erzeugung von Rußpartikeln, möglichst klein zu halten. Dazu haben die Brennraumanordnungen eine spezielle Ausgestaltung . Insbesondere bei Diesel als Kraftstoff wird ein spezieller Muldenkolben verwendet, der an einer Kolbenstirnseite eine Mulde mit einer ganz speziell ausgebildeten Geometrie aufweist. Diese spezielle Dieselmulde weist zentral angeordnet einen Dom auf, der sich entlang der Kolbenlängsachse in Richtung auf eine gegenüberliegend angeordnete Einspritzdüse erstreckt. Weiter umfasst die Dieselmulde in einer Seitenwand eine Ausnehmung, sodass sich im Bereich eines stirnseitigen Kolbenendes eine Muldenlippe ausbildet, die über die Mulde in Richtung auf die Kolben^¬ längsachse ragt. Diese spezielle Ausgestaltung der Dieselmulde ist nötig, um eine gute Gemischbildung zwischen Dieselkraftstoff und Luft zu erzeugen. Denn die Gemischbildung bei der Ein- spritzung von Dieselkraftstoff und Luft beeinflusst die

Emissionen von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid, Kohlenstoffdioxid und vor allem die Bildung von Rußpartikeln. Die Gemischbildung ist dabei von mehreren Faktoren abhängig, unter anderem von einer speziellen Geometrie der Dieselmulde, die dazu führt, dass in dem eingespritzten Dieselkraftstoff eine

Rückströmung entsteht, sodass er sich gut mit der Luft, die sich um den Dom herum befindet, mischt. Weiter hängt die Gemischbildung auch von dem Drall der Luft selbst und einer Einspritzdüse ab, die den Dieselkraftstoff an eine vordefinierte Stelle in die Dieselmulde eindüst. Insgesamt wird so eine ganz spezielle zeitlich und lokal vordefinierte Gemischbildung zwischen Dieselkraftstoff und Luft erzielt, um so Emissionen, vor allem die Rußbildung, klein zu halten und das Gemisch

Luft-Dieselkraftstoff daraufhin zu optimieren.

In Versuchen hat sich nun jedoch herausgestellt, dass bei der Verbrennung von OME-Kraftstoff keine Rußpartikel entstehen. Daher ist die Gemischbildung zwischen dem OME-Kraftstoff und der Luft weniger kritisch zu sehen und es entsteht ein Freiheitsgrad, der für die Optimierung der Brennkammer genutzt werden kann.

Aufgrund der ganz speziellen Geometrie der Dieselmulde in einem Muldenkolben für die Dieseleinspritzung ist die Oberfläche an der Kolbenstirnseite des Kolbens im Stand der Technik stark ver^¬ größert. Vorliegend wird nun vorgeschlagen, den durch die Beliebigkeit der Gemischbildung entstehenden Freiheitsgrad dazu zu nutzen, eine Oberfläche der Kolbenstirnseite des Kolbens im Vergleich zu Brennraumanordnungen für Dieselkraftstoffe zu verringern, um so Wandwärmeverluste durch die normalerweise sehr große Oberfläche einer Dieselmulde zu verringern, und damit den Wirkungsgrad der Brennkammer insgesamt zu vergrößern. Die Mulde im Kolben wird so ausgeformt, dass damit weniger Wandwärme^¬ verluste entstehen und somit mehr chemische Energie aus dem OME-Kraftstoff durch die Verbrennung in Bewegungsenergie um^¬ gewandelt werden kann. Dabei wird die Mulde in dem Kolben so ausgebildet, dass die Oberfläche auf der Kolbenstirnseite gegenüberliegend einer Einspritzdüse möglichst klein ausge^¬ bildet ist. _n

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Dazu wird zumindest der Bereich der Kolbenstirnseite, in dem im Betrieb der OME-Kraftstoff auftrifft, als Ebene ausgebildet. Die Ebene ist dabei senkrecht ausgebildet zu der Kolbenlängsachse, sodass die Kolbenlängsachse die Flächennormale der Ebene ist. Eine solche Ebene hat eine deutlich geringere Oberfläche als die kompliziert ausgebildete Dieselmulde, die bisher für die Einspritzung von Dieselkraftstoff benötigt wurde.

In einer möglichen Ausführungsform ist dabei die Kol- benstirnseite über ihre gesamte Stirnseitenfläche als Ebene ausgebildet. Das bedeutet, dass in einer speziellen Ausfüh^¬ rungsform überhaupt gar keine Mulde mehr in der Kolbenstirnseite des Kolbens vorgesehen ist. Damit entstehen geringstmögliche Wandwärmeverluste an der Oberfläche der Kolbenstirnseite.

Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass lediglich der Bereich, in dem im Betrieb der OME-Kraftstoff auftritt, als Ebene ausgebildet ist, und zusätzlich ein sich parallel zu der Kolbenlängsachse von der Ebene weg erstreckender, umlaufend um die Kolbenlängsachse an einer die Kolbenstirnseite begrenzenden Kolbenkante angeordneter Randvorsprung zum Bilden eines

Spritzschutzes vorgesehen ist. Der Randvorsprung verhindert dabei, dass der eingespritzte OME-Kraftstoff im Bereich der Kolbenkante verbrennt, sodass die Verbrennung bevorzugt in der Mitte der Kolbenstirnseite im Bereich der Kolbenlängsachse stattfindet. Dadurch wird der Tatsache begegnet, dass an der Kolbenkante die Verbrennung jeglichen Kraftstoffes nur un^¬ vollständig erfolgt und daher gerade im Bereich der Kolbenkante verstärkt Schadstoffe bei der Verbrennung wie Kohlenwasser- Stoffe, Kohlenmonoxid, bei OME-Kraftstoffen auch Formaldehyd und Methan, entstehen. Durch Anordnen des Randvorsprunges als Spritzschutz kann verhindert werden, dass die Verbrennung im Bereich der Kolbenkante stattfindet und diese genannten

Schadstoffe verstärkt entstehen. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass als Kolben ein Muldenkolben vorgesehen ist, der an einer Kolbenstirnseite eine Mulde zur Aufnahme des in den Brennraum eingespritzten

OME-Kraftstoffes aufweist, wobei die Mulde symmetrisch um die Kolbenlängsachse ausgebildet ist und in einem Schnitt parallel zu der Kolbenlängsachse eine stetige Krümmung aufweist.

In dieser Ausführungsform wird zwar eine gekrümmte Mulde vorgesehen, wie dies auch bisher beim Einspritzen von Die- selkraftstoff der Fall war, nur dass die Mulde im Vergleich zu einer Dieselmulde keine aufwendige geometrische Gestalt auf^¬ weist, bei der sich die Krümmung der Mulde beständig ändert, sondern dass eine ganz einfache Mulde vorgesehen wird, die eine stetige Krümmung aufweist. Durch diese stetige Krümmung hat die Mulde im Vergleich zu bekannten Dieselmulden eine deutlich verringerte Oberfläche, und Wandwärmeverluste sind deutlich verringert .

In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Mulde dabei als Kugelmulde mit einer Kalottenform ausgebildet . Insbesondere kann die Form dabei die einer Kugelkalotte annehmen. Die Kugelmulde entspricht daher vorteilhaft einem Kugelabschnitt und weist dabei thermodynamisch gesehen die geringstmögliche Oberfläche einer geometrischen Form auf.

Vorteilhaft ist die Mulde zu einer Kolbenkante des Muldenkolbens beabstandet angeordnet, wobei zwischen der Kolbenwand und der Mulde eine umlaufend um die Mulde und die Kolbenlängsachse angeordneter, eben ausgebildeter Stirnseitenabschnitt ange- ordnet ist, wobei die Kolbenlängsachse die Flächennormale der Ebenen bildet.

Auch bei Ausbildung der Mulde als Kugelmulde besteht die Gefahr, dass der eingespritzte OME-Kraftstoff in zu großen Anteilen an der Kolbenkante verbrennt und dadurch vermehrt Schadstoffe entstehen. Um dem entgegenzuwirken, ist die Mulde beabstandet zu der Kolbenkante angeordnet, indem eine Ebene zwischen Mulde und Kolbenkante vorgesehen ist.

Vorzugsweise ist die Einspritzdüse symmetrisch um eine Dü^¬ senlängsachse ausgebildet, wobei die Einspritzdüse derart zu der Kolbenstirnseite gerichtet angeordnet ist, dass die Kolben^¬ längsachse und die Düsenlängsachse zusammenfallen, wobei die Einspritzdüse eine Mehrzahl von Einspritzlöchern mit jeweils einer Lochachse zum Einspritzen des OME-Kraftstoffes aufweist, wobei ein Höhenwinkel ß zwischen jeder der Lochachsen und der Düsenlängsachse so ausgebildet ist, dass der eingespritzte OME-Kraftstoff im Betrieb auf der Kolbenstirnfläche näher an der Kolbenlängsachse als an einer die Kolbenstirnfläche begrenzenden Kolbenkante auftrifft.

Insbesondere bei der Verwendung eines Kolbens mit einer vollständig ebenen Stirnseitenfläche ist es vorteilhaft, wenn die Einspritzdüse so ausgebildet ist, dass der eingespritzte OME-Kraftstoff gerade nicht im Bereich der Kolbenkante auf^¬ trifft, sondern fokussierter in den Bereich der Kolbenlängsachse gespritzt wird. Auch durch eine solche Anordnung wird eine unvollständige Verbrennung an der Kolbenkante des

OME-Kraftstoffes vermieden.

Eine solche Anordnung der Einspritzdüse ist jedoch auch vor^¬ teilhaft bei der Verwendung einer Kugelmulde bzw. einer Ebene mit zusätzlichem Spritzschutz.

Vorteilhaft liegt der Höhenwinkel ß dabei in einem Bereich von 0° bis 75°, insbesondere 30° bis 70°, mehr insbesondere 45° bis 65°. Dieselkraftstoff muss gerade wegen der Gemischbildung mit einem Höhenwinkel ß von größer als 75°, nämlich zwischen 75° und 82°, in die Brennkammer eingespritzt werden, da sonst eine zu große Menge an Schadstoffen, insbesondere Rußpartikel, bei der Verbrennung entstehen. Der Höhenwinkel ß ist vorliegend dagegen auf die Einspritzung von OME-Kraftstoff optimiert, da so der Kontakt der Kolbenkante mit dem OME-Kraftstoff bei gleichzeitig verringerten Wandwärmeverlusten realisiert werden kann.

Um weiter den Kontakt der Kolbenkante mit dem eingespritzten OME-Kraftstoff vorteilhaft verhindern zu können, obwohl keine spezielle Muldengeometrie mit einer ausgebildeten Muldenlippe vorliegt, die den Kraftstoff zu der Kolbenlängsachse hin umlenkt, kann die Einspritzdüse weiter so ausgebildet sein, dass ein möglichst geringer Strahlimpuls auftritt, sodass eingespritzter OME-Kraftstoff nicht von der Stirnseite abprallt und zur Kolbenkante gelangt.

Einerseits kann dazu ein Vergrößerungsfaktor V der Einspritzdüse bezüglich ihres Durchflusses HD verringert werden.

Entsprechend weist die Einspritzdüse einen Durchfluss HD₀ME auf, der einem um einen Vergrößerungsfaktor V vergrößerten Durchfluss HD_Di_esei einer Einspritzdüse für Dieselkraftstoff entspricht, wobei der Vergrößerungsfaktor V abhängig ist von einem Verhältnis des Heizwertes von Dieselkraftstoff H_u,_Di_esei zu einem Heizwert von OME-Kraftstoff H_U , ₀ME eines im Betrieb einzuspritzenden

OME-Kraftstoffes , wobei gilt:

V = (H_u,_Di_esei/H_U , OME ) * K, wobei 0,6 < K < 0,85, insbesondere 0,7 < K < 0,8.

Wie bereits erwähnt, weist OME-Kraftstoff einen deutlich verringerten Heizwert auf als Dieselkraftstoff. Entsprechend müsste eigentlich, um eine gleiche Leistung zu erzielen, eine um den Vergrößerungsfaktor V vergrößerte Masse m an OME-Kraftstoff eingespritzt werden, was über einen um den Vergrößerungsfaktor

V vergrößerten Durchfluss HD der Einspritzdüse realisiert werden kann. In Versuchen hat sich jedoch herausgestellt, dass aufgrund einer verringerten Temperaturentwicklung des OME-Kraftstoff- Abgases durch eine schnellere Verbrennung des OME-Kraftstoffes im Vergleich zu Dieselkraftstoff die um den Vergrößerungsfaktor

V vergrößerte Masse m über einen längeren Zeitraum eingespritzt werden kann als Dieselkraftstoff. Daher verringert sich der

Vergrößerungsfaktor V um einen Faktor K. Dieser Faktor K wurde in Versuchen ermittelt und liegt in einem Bereich zwischen 0,6 und 0,85. Eine weitere Möglichkeit, den Strahlimpuls des auftreffenden OME-Kraftstoffes zu verringern ist es, die eingespritzte Kraftstoffmasse über eine Mehrzahl von Einspritzlöchern zu verteilen. Daher weist die Einspritzdüse vorteilhaft neun bis zwölf Einspritzlöcher auf, die symmetrisch um die Düsen- längsachse angeordnet sind. Einspritzdüsen für Dieselkraftstoff weisen normalerweise im Vergleich dazu lediglich sieben bis zehn Einspritzlöcher auf.

Vorteilhaft wird die oben beschriebene Brennraumanordnung verwendet, um einen OME-Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung einer Brennraumanordnung mit einem Muldenkolben für die Einspritzung von Dieselkraftstoff aus dem Stand der Technik; Fig. 2 eine Längsschnittdarstellung einer Brennraumanordnung für die Einspritzung von OME-Kraftstoff in einer ersten Ausführungsform; Fig. 3 eine Längsschnittdarstellung einer Brennraumanordnung für die Einspritzung von OME-Kraftstoff in einer zweiten Ausführungsform; und eine Längsschnittdarstellung einer Brennraumanordnung für die Einspritzung von OME-Kraftstoff in einer dritten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt eine Längsschnittdarstellung einer Brennraumanordnung 10 zum Bilden eines Brennraumes 12 einer Diesel-Brennkraftmaschine zum Einspritzen von Dieselkraftstoff 14, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Die Brennraumanordnung 10 weist einen Muldenkolben 16 und eine Einspritzdüse 18 auf. Die Einspritzdüse 18 ist derart zu einer Kolbenstirnseite 20 gerichtet angeordnet, dass der Diesel^¬ kraftstoff 14, der von der Einspritzdüse 18 in den Brennraum 12 eingespritzt wird, auf die Kolbenstirnseite 20 gespritzt wird.

Der Muldenkolben 16 weist eine Mulde 22 auf, in die der ein- gespritzte Dieselkraftstoff 14 von der Einspritzdüse 18 ge^¬ spritzt wird und in der sich der Dieselkraftstoff 14 durch eine spezielle geometrische Ausgestaltung der Mulde 22 mit einer ebenfalls in dem Brennraum 10 vorhandenen Luft 24 optimal vermischt. Durch translatorische Auf- und Abbewegung des Muldenkolbens 16 entlang einer Kolbenlängsachse 26 verdichtet sich der Dieselkraftstoff 14, der in den Brennraum 12 eingespritzt worden ist und sich mit der Luft 24 vermischt hat, und entzündet sich an einem bestimmten Punkt der Verdichtung von selbst. Durch diese Entzündung wird chemische Energie, die in dem Dieselkraftstoff 14 gespeichert ist, in kinetische Energie umgewandelt und für den Antrieb eines Dieselmotors verwendet.

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, weist die Mulde 22 eine spezielle geometrische Form auf. 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 stirnseitigen 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, den Dieselkraftstoff 14 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 einen Wirbel 40 ausbildet, der sich besonders gut mit der vorhandenen Luft 24 vermischen kann.

Durch die besonders gute Vermischung von Luft 24 und Diesel- kraftstoff 14 entstehen bei der Verbrennung deutlich bessere Emissionswerte und insbesondere weniger Rußpartikel. Die Brennraumanordnung 10 ist daher insgesamt auf die Einspritzung von Dieselkraftstoff 14 und insbesondere die Gemischbildung zwischen Dieselkraftstoff 14 und Luft 24 optimiert ausgestaltet. Wärmeverluste durch die sehr große Oberfläche der Kol^¬ benstirnseite 20, die durch die spezielle Geometrie der Mulde 22 entsteht, werden hingenommen, da sonst keine zufriedenstellende Verbrennung von Dieselkraftstoff 14 erzielt werden könnte. In einer Vielzahl von Versuchen hat sich jedoch herausgestellt, dass OME-Kraftstoff 42 verbrennt, ohne dass sich dabei Ruß^¬ partikel bilden. Bei der Einspritzung von OME-Kraftstoff 42 in einen Brennraum 12 spielt daher die Gemischbildung nur eine untergeordnete Rolle. Dadurch entsteht ein Freiheitsgrad, der für die Optimierung des Brennraumes 12, und insbesondere der Brennraumanordnung 10 , die den Brennraum 12 mitbildet, verwendet werden kann. Vorliegend wird dieser Freiheitsgrad dazu genutzt, Wandwärmeverluste durch die bisher verwendete sehr große Oberfläche der Kolbenstirnseite 20 zu verringern. Daher kann freigesetzte chemische Energie aus dem OME-Kraftstoff 42 in Bewegungsenergie umgewandelt werden und die Brennraumanordnung 10 arbeitet daher mit einem vergrößerten Wirkungsgrad. Die Mulde 22 wird dabei so ausgebildet, dass ihre Oberfläche 44 möglichst klein wird.

Auf die Verbrennung von OME-Kraftstoff 42 in dieser Hinsicht optimierte Ausführungsformen der Brennraumanordnung 10 sind in den Figs . 2 - 4 gezeigt.

Fig. 2 zeigt dabei eine Längsschnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der Brennraumanordnung 10, die für die Einspritzung von OME-Kraftstoff 42 optimiert ist. Es ist zu sehen, dass in der ersten Ausführungsform kein

Muldenkolben 16 verwendet wird, sondern lediglich ein einfacher Kolben 46, der in dem Bereich, in dem im Betrieb der

OME-Kraftstoff 42, der von der Einspritzdüse 18 in den Brennraum 12 eingespritzt wird, als Ebene 48 ausgebildet ist, wobei die Kolbenlängsachse 26 die Flächennormale N der Ebene 48 ist.

Der Kolben 46 weist demgemäß in der extremsten Form überhaupt gar keine Mulde 22 mehr auf, sondern eine komplett flache Oberfläche 44, sodass die Oberfläche 44 so klein wie möglich ausgestaltet sein kann und die geringstmögliche Menge an Wandwärmeverlusten realisiert werden kann.

In dieser ersten Ausführungsform kann es problematisch sein, wenn der OME-Kraftstoff 42 an eine Kolbenkante 50 des Kolbens 46 gelangt. Denn in Fig. 1 ist zu sehen, dass die Muldenlippe 38 den Dieselkraftstoff 14 in Richtung auf den Dom 28 umlenkt, sodass an der Kolbenkante 50 im Prinzip kein eingespritzter Dieselkraftstoff 14 vorhanden ist. Befindet sich jedoch an der Kolbenkante 50 Kraftstoff, egal ob OME-Kraftstoff 42 oder Dieselkraftstoff 14, ist dies nachteilig, da dann eine un^¬ vollständige Verbrennung im Bereich dieser Kolbenkante 50 des jeweiligen Kraftstoffes auftritt, und dadurch vermehrt

Schadstoffemissionen in Form von Kohlenwasserstoffen, Koh- lenmonoxid, bei OME-Kraftstoff 42 auch Formaldehyd und Methan, zu erwarten sind.

Daher ist es vorteilhaft, wenn die Einspritzdüse 18 entsprechend so ausgebildet ist, dass der eingespritzte OME-Kraftstoff 42 im Betrieb auf der Kolbenstirnseite 20 näher an der Kolbenlängsachse 26 als an der Kolbenkante 50 auftrifft. Dazu sind Einspritzlöcher 52 in der Einspritzdüse 18 angeordnet, die jeweils eine Lochachse 54 haben, wobei ein Höhenwinkel ß zwischen jeder der Lochachsen 54 und einer Düsenlängsachse 56, die vorteilhaft mit der Kolbenlängsachse 26 zusammenfällt, möglichst spitz ausgebildet ist. Der Höhenwinkel ß liegt dabei vorteilhaft in einem Bereich zwischen 0° und 75°, vorteilhaft 30° bis 70°, insbesondere 45° bis 65°. Höhenwinkel ß in diesen Größenordnungen sind für Dieselkraftstoff 14 nicht umsetzbar, da sie aufgrund der verschlechterten Gemischbildung in einer so großen Schadstoffemission resultieren, dass Dieselkraftstoff 14 damit nicht mehr wirtschaftlich verbrannt werden kann. Dem Kontakt des eingespritzten OME-Kraftstoffes 42 mit der Kolbenkante 50 kann auch dadurch begegnet werden, dass der Strahlimpuls des auf die Kolbenstirnseite 20 auftreffenden OME-Kraftstoffes 42 verringert wird. Dies kann einerseits dadurch erzielt werden, dass mehr Einspritzlöcher 52, beispielsweise zehn bis zwölf, als üblicherweise an einer Ein^¬ spritzdüse 18 für Dieselkraftstoff 14 vorgesehen sind, an der Einspritzdüse 18 angeordnet werden. Dadurch wird die gleiche Masse m an OME-Kraftstoff 42 auf mehr Einspritzlöcher 52 verteilt und es resultiert ein geringerer Strahlimpuls.

Außerdem ist es auch möglich, den OME-Kraftstoff 42 über einen längeren Zeitraum als Dieselkraftstoff 14 einzuspritzen, da die Temperaturentwicklung im Abgas verringert ist. Dadurch besteht die Möglichkeit, den Durchfluss HD der Einspritzdüse 18 kleiner zu halten als auf den ersten Blick nötig erscheint.

Die Einspritzdüse 18 wird daher insbesondere in der ersten Ausführungsform der Brennraumanordnung 10 so ausgebildet, dass der OME-Kraftstoff 42 vorteilhaft in der Mitte des Kolbens 64 auftrifft und somit an der Kolbenkante 50 keine unvollständige Verbrennung mit dabei entstehenden Schadstoffen auftritt.

In diesem Fall kann die gesamte Stirnseitenfläche 58 der Kolbenstirnseite 20 als Ebene 48 ausgebildet sein.

Fig. 3 zeigt eine alternative zweite Ausführungsform des Kolbens 64 mit einer Topfmulde 60, wobei auch hier in dem Bereich, in dem der OME-Kraftstoff 42 auf die Kolbenstirnseite 20 auftrifft, die Kolbenstirnseite 20 eben ausgebildet ist, jedoch ein Spritz^¬ schutz 62 vorgesehen ist, der verhindert, dass der eingespritzte OME-Kraftstoff 42 in den Bereich der Kolbenkante 54 gelangt. Der Spritzschutz 62 ist dabei durch einen Randvorsprung 64 ausgebildet, der sich parallel zu der Kolbenlängsachse 26 von der Ebene 48 weg erstreckt und umlaufend um die Kolbenlängsachse 26 im Bereich der Kolbenkante 50 angeordnet ist.

Fig. 4 zeigt eine alternative dritte Ausgestaltung des Kolbens 64, der hier wieder als Muldenkolben 16 gebildet ist . Im Gegensatz zu der komplizierten Geometrie der bisher bekannten Dieselmulde ist hier die Mulde 22 jedoch lediglich als Kugelmulde 66 ausgebildet und weist daher in einem Schnitt parallel zu der Kolbenlängsachse 26 eine stetige Krümmung K auf. Die Kugelmulde 66 weist dabei bevorzugt eine Kalottenform, insbesondere eine Kugekalottenform auf, um so die Oberfläche 44 der Kugelmulde 66 so klein wie möglich zu halten.

Auch hier ist es vorteilhaft, wenn die Mulde 22 zu der Kolbenkante 50 beabstandet angeordnet ist. Dazu ist zwischen der Kolbenkante 50 und der Mulde 22 ein Stirnseitenabschnitt 68 angeordnet, der ebenfalls eine Ebene 48 ausbildet.

Fig. 3 und Fig. 4 zeigen daher Formen einer Mulde 22 in einem Kolben 46, die zwar keine übliche geometrische komplizierte Form wie bei der Einspritzung von Dieselkraftstoff 14 aufweisen, aber zumindest eine Randbegrenzung haben, sodass der OME-Kraftstoff 42 nicht oder nur sehr wenig an die Kolbenkante 50 gelangt und bevorzugt in der Mitte des Kolbens 46 abbrennt.

Auch in den Ausführungsformen der Fig. 3 und Fig. 4 ist es vorteilhaft, eine oben beschriebene spezielle Einspritzdüse 18 zu verwenden.

Claims

Patentansprüche

1. Brennraumanordnung (10) zum Ausbilden eines Brennraumes (12) für eine Brennkraftmaschine zum Verbrennen eines in den Brennraum (12) eingespritzten OME-Kraftstoffes (42), aufweisend einen Kolben (46), der sich im Betrieb in dem Brennraum (12) entlang einer Kolbenlängsachse (26) translatorisch bewegt , sowie eine Einspritzdüse (18) zum Einspritzen des OME-Kraftstoffes (42) in den Brennraum (12) derart, dass der im Betrieb ein- gespritzte OME-Kraftstoff (42) auf eine Kolbenstirnseite (20) des Kolbens (46) auftrifft, wobei die Kolbenstirnseite (20) zumindest in dem Bereich, in dem im Betrieb der OME-Kraftstoff (42) auftrifft, als Ebene (48) ausgebildet ist, wobei die Kolbenlängsachse (26) die Flächennormale (N) der Ebene (48) ist.

2. Brennraumanordnung (10) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstirnseite (20) über ihre gesamte Stirnseitenfläche (58) als Ebene (48) ausgebildet ist, oder dass ein sich parallel zu der Kolbenlängsachse (26) von der Ebenen (48) weg erstreckender, umlaufend um die Kolbenlängsachse (26) an einer die Kolbenstirnseite (20) begrenzenden Kolbenkante (50) angeordneter Randvorsprung (64) zum Bilden eines

Spritzschutzes (62) vorgesehen ist.

3. Brennraumanordnung (10) zum Ausbilden eines Brennraumes (12) für eine Brennkraftmaschine zum Verbrennen eines in den Brennraum (12) eingespritzten OME-Kraftstoffes (42), aufweisend einen Muldenkolben (16), der sich im Betrieb in dem Brennraum (12) entlang einer Kolbenlängsachse (26) translatorisch bewegt, und der an einer Kolbenstirnseite (20) eine Mulde (22) zur Aufnahme des in den Brennraum (12) eingespritzten OME-Kraftstoffes (42) aufweist, wobei die Mulde (22) symmetrisch um die Kolben^¬ längsachse (26) ausgebildet ist,

wobei die Mulde (22) in einem Schnitt parallel zu der Kol- benlängsachse (26) eine stetige Krümmung (K) aufweist.

4. Brennraumanordnung (10) nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (22) als Kugelmulde (66) mit einer Kalottenform, insbesondere mit der Form einer Kugelkalotte, ausgebildet ist.

5. Brennraumanordnung (10) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (22) zu einer Kolbenkante (50) des Muldenkolbens (16) beabstandet angeordnet ist, wobei zwischen der Kolbenkante (50) und der Mulde (22) ein umlaufend um die Mulde (22) und die Kolbenlängsachse (26) angeordneter, eben ausgebildeter Stirnseitenabschnitt (68) angeordnet ist, wobei die Kolbenlängsachse (26) die Flächennormale (N) der Ebenen (48) bildet. 6. Brennraumanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (18) symmetrisch um eine Düsenlängsachse (56) ausgebildet ist, wobei die Ein^¬ spritzdüse (18) derart zu der Kolbenstirnseite (20) gerichtet angeordnet ist, dass die Kolbenlängsachse (26) und die Dü- senlängsachse (56) zusammenfallen, wobei die Einspritzdüse (18) eine Mehrzahl von Einspritzlöchern (52) mit jeweils einer Lochachse (54) zum Einspritzen des OME-Kraftstoffes (42) aufweist, wobei ein Höhenwinkel ß zwischen jeder der Lochachsen (54) und der Düsenlängsachse (56) so ausgebildet ist, dass der eingespritzte OME-Kraftstoff (42) im Betrieb auf der Kol^¬ benstirnseite (20) näher an der Kolbenlängsachse (26) als an einer die Kolbenstirnseite (20) begrenzenden Kolbenkante (50) auftrifft . 7. Brennraumanordnung (10) nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenwinkel ß in einem Bereich von 0° < ß < 75 °, insbesondere 30° < ß < 70°, mehr insbesondere 45° < ß < 65°, liegt. 8. Brennraumanordnung (10) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (18) einen Durchfluss HD₀ME aufweist, der einem um einen Vergrößerungsfaktor (V) vergrößerten Durchfluss HD_Diesei einer Einspritzdüse (18) für Dieselkraftstoff (14) entspricht, wobei der Vergrößerungsfaktor (V) abhängig ist von einem Verhältnis des Heizwertes H_u, _Di_{e se}i von Dieselkraftstoff (14) zu einem Heizwert H_U,_0ME von OME-Kraftstoff (42) eines im Betrieb einzuspritzenden OME-Kraftstoffes (42), wobei gilt:

V = (H_u, _Di_{e se}i/H_U,OME) * K, wobei 0,

6 < K < 0,85, insbesondere 0,

7 < K < 0,

8.

9. Brennraumanordnung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (18) zehn bis zwölf Einspritzlöcher (52) aufweist, die symmetrisch um die Düsenlängsachse (56) angeordnet sind.

10. Verwendung einer Brennraumanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Einspritzen von OME-Kraftstoff (42) in einen Brennraum (12) einer Brennkraftmaschine.