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 H ₀ entspricht der Wärmemenge, die bei einer gleichen Masse m an Kraftstoff erzeugt werden kann. Im Schnitt ist der Heizwert H ₀ bei OME-Kraftstoffen etwa halb so groß wie bei Dieselkraftstoffen, das heißt, es müsste, wenn nur der Heizwert H ₀ 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 H ₀ 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 H ₀ . 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 HD ₀ ME auf, der einem um einen Vergrößerungsfaktor V vergrößerten Durchfluss HD _D i _ese i einer Einspritzdüse für Dieselkraftstoff entspricht, wobei der Vergrößerungsfaktor V abhängig ist von einem Verhältnis des Heizwertes von Diesel H _U , _DIESEL ZU einem Heizwert von

OME-Kraftstoff H _U , _0ME eines im Betrieb einzuspritzenden

OME-Kraftstoffes , wobei gilt:

V = (H _u , _D i _{e se} i/H _U ,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 H ₀ 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 H ₀ 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 , ₀ ME 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 H ₀ 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 = (H _u , _D i _ese i/H _u ,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 H ₀ 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 = (H _u , _D i _ese i/H _u ,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 , ₀ ME 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 H ₀ 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.