AT4097U1

AT4097U1 - Verfahren zur erfassung einer tumble-strömung in einem zylinderraum einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: AT4097U1
Application number: AT0089799U
Authority: AT
Inventors: Reinhard Dipl Ing Glanz; Franz Ing Hoedl
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 1999-12-23
Filing date: 1999-12-23
Publication date: 2001-01-25
Also published as: DE10063045A1; US20020035867A1; US6385530B1; DE10063045C2

Abstract

Zur Erfassung einer Tumble-Strömung in einem Zylinderraum einer Brennkraftmaschine, wobei ein Tumble-Kennwert als Quotient aus der Winkelgeschwindigkeit Omega`FK der Tumble-Bewegung und der Winkelgeschwindigkeit Omega`Mot der Brennkraftmaschine bestimmt wird, wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Asymmetrie eines Strömungsfeldes w`LDA im Zylinderraum mit einer differentiellen Messmethode am Strömungsprüfstand für eine vordefinierte Anzahl an Messpunkten i erfasst und der Tumble-Kennwert auf Grund der Asymmetrie des Strömungsfeldes w`LDA ermittelt wird.Dadurch lassen sich auf einfache Weise Tumble-Kennwerte praxisnah bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer Tumble-Strömung in ei- nem Zylinderraum einer Brennkraftmaschine, wobei ein Tumble-Kennwert als Quotient aus der Winkelgeschwindigkeit wFX der Tumble-Bewegung und der Win-
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Die Ladungsbewegung ist sowohl für Otto- als auch für Diesel-Brennkraftmaschi- nen ein Parameter, der die Verbrennung wesentlich beeinflusst. Grundsätzlich wird zwischen Drall, einer Ladungsbewegung um die Zylinderachse und Tumble einer Ladungsbewegung um eine Achse senkrecht zur Zylinderachse, unterschie- den, wobei beide Ladungsbewegungen oft gleichzeitig in vermischter Form auf- treten. Zum Erfassen beider Arten der Ladungsbewegung haben sich am Prüf- stand für stationäre Strömung integrative Methoden durchgesetzt, welche sehr schnell Summenergebnisse liefern können. Im Falle des Dralles ergeben integra- tive Messmethoden gute Korrelationen zwischen Verbrennungsergebnis und Drallmessung, da der Drall während des Kolbenhubes im wesentlichen erhalten bleibt.

Im Falle des Tumbles ergibt eine Zuordnung zwischen Ergebnissen am Strömungsprüfstand und dem Verbrennungsergebnis allerdings ein eher verwir- rendes Bild. Der Grund dafür ist, dass der Tumbe zwischen Kolben und Zylinder- kopfboden quasi zerquetscht wird und sich in komplexe Strömungsstrukturen und schliesslich Turbulenz auflöst.

Es sind verschiedene Arten von integrativen Messmethoden bekannt. So ist es beispielsweise bekannt, am Strömungsprüfstand den Drall mit Hilfe eines Mo- mentenmessgerätes oder eines Drehflügels für eine Reihe von Ventilhüben zu messen und daraus durch Integration über den Kurbelwinkel eine Drallzahl zu bestimmen. Obwohl am realen Motor andere Strömungsstrukturen auftreten als am Strömungsprüfstand für stationäre Strömung, lassen sich die Ergebnisse gut mit den Verbrennungsergebnissen korrelieren.

Auch zur Erfassung der Ladungsbewegung Tumble im Zylinderraum sind integra- tive Messmethoden bekannt. Aus der Veröffentlichung SAE 97 16 37 mit dem Titel "Correlation of the Combustion Characteristics of Spark Ignition Engines with the In-Cylinder Flow Field Characterized Using PIV in a Water Analogy Rig", JACKSON, N. S., et al. ist die sogenannte "T-Stück-Methode" bekannt. Dabei wird der Zylinderkopf auf ein T-Rohr aufgesetzt, wobei in jeweils einem Teil des Querrohres integrative Messgeräte, wie beispielsweise Drehflügel oder Moment- messgeräte angeordnet sind. Die asymmetrische Strömung aus dem Einlasskanal trifft in weiterer Folge auf das Querrohr, in welchem aufgrund der Asymmetrie eine Drallströmung erzeugt wird.

Durch Verdrehen des Zylinderkopfes bis zum Erreichen des maximalen Messwertes kann auch der Tumble-Winkel erfasst wer- den.

Weiters ist es aus der DE 41 33 277 A1 bekannt, zur Tumble-Erfassung einen rotierenden Ring im Zylinderraum zu verwenden, dessen Drehachse normal zur Mittelachse des Zylinderraumes ist. Zum Unterschied zu anderen stationären Strömungsmessungen wird der Zylinderraum nach unten durch eine Kolben- atrappe verschlossen und ausserdem die Luft seitwärts im Bereich der Drehflügel- achse abgesaugt. Durch das asymmetrische Auftreffen des Luftstrahles auf die Kolbenatrappe wird eine Drehbewegung induziert, die über die Drehzahl des ro- tierenden Ringes erfasst wird. Der Tumble-Winkel ergibt sich durch verdrehen der Lage des rotierenden Ringes oder des Zylinderkopfes zur Stellung mit maxi- malen Ringdrehzahlen.

Aus dem Artikel "Räumlicher Drallmesser für Drall- und Tumble-Messung", TIP- PELMANN, G., MTZ 58 (1997), Nr. 6, Seite 327 ist es bekannt, zur integrativen Messung der Tumble-Strömung ein Momentmessgerät zu verwenden, das aus einem sphärischen Strömungsgleichrichter besteht. Der sphärische Gleichrichter kann aufgrund seiner radial angeordneten Gleichrichterbohrungen nicht nur ei- nen Drehimpuls um die z-Achse, sondern auch ein Kippmoment um eine Achse in der x-y-Ebene erfassen und damit sehr elegant auf die Asymmetrie des Strö- mungsfeldes reagieren. Da alle drei räumlichen Momente erfasst werden, erge- ben sich Drall, Tumble und Tumble-Winkel aus einer einzigen Messung. Der Strömungswiderstand des Gleichrichters und die daraus folgende Rückwirkung auf das Strömungsfeld haben allerdings nachteilige Auswirkung auf das Messer- gebnis.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem die Tumble-Strömung im Zylinderraum einer Brennkraftmaschine möglichst genau erfasst werden kann.

Das erfindungsgemässe Verfahren sieht dabei vor, dass die Asymmetrie eines Strömungsfeldes wLDA im Zylinderraum mit einer differentiellen Messmethode am Strömungsprüfstand für eine vordefinierte Anzahl an Messpunkten i erfasst und der Tumble-Kennwert auf Grund der Asymmetrie ermittelt wird. Dazu wird vor- zugsweise gemäss der Gleichung
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ein reduziertes Strömungsfeld w, ermittelt, wobei w die mittlere axiale Strö- mungsgeschwindigkeit des Strömungsfeldes WLAD ist. Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn der Tumble-Kennwert auf Grund der Winkelgeschwin- digkeit W. für jeden Messpunkt i gemäss der Gleichung
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berechnet wird, wobei r, der Abstand des Messpunktes i von der Mittelachse des Zylinderraumes ist.

Jedem Messpunkt i wird dabei vorzugsweise ein Flächenele-
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gemäss der Gleichung
EMI3.2
berechnet.

Zum Unterschied zu den bekannten integrativen Methoden wird beim erfindungs- gemässen Verfahren eine differentielle Messmethode verwendet, um das Strö- mungsfeld im Zylinderraum in seiner Struktur zu erfassen. Aus dieser Struktur können dann beliebige integrale Parameter abgeleitet werden.

Die Messung wird mit einem stationären Strömungsprüfstand am kolbenlosen Zylinderraum durchgeführt, welcher in einen Beruhigungsbehälter mündet. Das erfindungsgemässe Verfahren macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, dass die Grösse des im Zylinderraum der Brennkraftmaschine auftretenden Tumble pro- portional zur Grösse der Asymmetrie der axialen Strömungsstruktur im kolbenlo- sen Zylinderraum des stationären Strömungsprüfstandes ist.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass als differenzielle Messmethode die Laser-Doppler Anemometrie verwendet wird, wobei in einer Messebene normal zur Achse des Zylinderraumes gemessen wird. Das Messvolumen eines Laser- Doppler-Anemometrie-Systems wird durch viele Punkte in einer Messebene in einem Abstand vom Zylinderkopfboden bewegt, welcher dem halben Bohrungs- durchmesser des Zylinderraumes entspricht. Dadurch wird das axiale Strö- mungsfeld erfasst. Um Messergebnisse mit hoher Aussagekraft zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn in der Messebene mindestens 200 Messpunkte i in gleichen Ab- ständen voneinander angeordnet werden. Es hat sich gezeigt, dass bei weniger als 200 Messpunkten die Tumble-Kennwerte derart stark schwanken, dass sich kaum reproduzierbare Messungen durchführen lassen.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die jedem Messpunkt i zugeordneten Flächenelemente f1, in einem hexagonalen Git- ter angeordnet sind. Durch das hexagonale Gitter ist gewährleistet, dass die Flä- chenelemente f1, alle gleich sind.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen schematisch Fig. 1 den prinzipiellen Messaufbau am Strömungsprüf- stand, Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Zylinderraum mit der berechneten Tumble-Strömung und Fig. 3 einen Querschnitt durch den Zylinderraum mit ein- getragenem Strömungsfeld.

Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Messaufbau für eine differenzielle Messmethode mit einem stationären Strömungsprüfstand 1, wobei als Messsystem Laser- Doppler-Anemometrie LDA eingesetzt wird. Das Messvolumen eines Laser- Doppler-Anemometrie-Systems LDA wird durch viele Messpunkte i in einer Mess- ebene 2 in einem Abstand 3 vom Zylinderkopfboden 4 bewegt, welcher dem hal- ben Bohrungsdurchmesser D des Zylinderraumes 5 entspricht. Über einem Glas- zylinder 6 gelangt das Messlicht 7 in den Zylinderraum 5. Mit der differenziellen Messmethode wird das axiale Strömungsfeld erfasst.

Die Gesamtlänge 8 des Zy- linderraumes 5 beträgt etwa 2,5 mal dem Bohrungsdurchmesser D. An den Zy- linderraum 5 schliesst ein Beruhigungsbehälter 9 an.

Aus dem, durch die differenzielle Messmethode mittels Laser-Doppler- Anemometrie LDA gemessenen Strömungsfeld WLDA wird ein Tumble-Kennwert
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gemessenen axialen Geschwindigkeiten in Richtung der Längsachse 10 des Zy- linderraumes 5, eine mittlere axiale Strömungsgeschwindigkeit w berechnet.

Durch Reduktion des Strömungsfeldes WLDA um die mittlere Geschwindigkeit w folgt das reduzierte, quasi-rotierende Strömungsfeld w, unter Annahme einer Tumble-Achse 11, die durch den Zylindermittelpunkt 10a geht und senkrecht auf die Mittelachse 10 des Zylinderraumes 5 steht. Es gilt somit :
EMI4.2
Aus diesem reduzierten Strömungsfeld w, berechnet sich die Winkelgeschwindigkeit W1, in jedem Messpunkt i wie folgt:
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wobei r, der Abstand des Messpunktes i von der Tumble-Achse 11 ist.

Ist jedem Messpunkt i das Flächenelement /, zugeordnet, so ergibt sich die Win- kelgeschwindigkeit WFK der gesamten Tumble-Bewegung durch die Gleichung
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Daraus kann der Tumble-Kennwert wie folgt berechnet werden:
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wobei WMOL die Motorwinkelgeschwindigkeit der Brennkraftmaschine ist.

Werden die Tumble-Kennwerte für mehrere Ventilhübe des Einlassventiles 12 des Einlasskanales 13 bestimmt, so kann mittels Integration über den Kurbelwinkel a die Tumble-Zahl berechnet werden, wobei die Tumble-Kennwerte mit der Kol- bengeschwindigkeit c gewichtet werden:

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Figur 3 zeigt ein typisches Messergebnis des erfindungsgemässen Messverfah- rens, eingetragen in einem Querschnitt durch den Zylinderraum 5. Es zeigt eine durch Einlasskanäle 13 erzeugte Strömungsstruktur in einem Zylinderraum 5 als normierte Strömungsfelder. Es sind die Einlassventile 12 in ihrer Lage zum Zylin- der 5a dargestellt. Weiters ist die Motorlängsachse 14 eingezeichnet. Die Tumble-Achse 11 ist als Vektorpfeil mit angedeutetem Drehsinn angegeben.

Die Messpunkte i sind in einem hexagonalem Gitter angeordnet, sodass die Flächen- elemente f1, alle gleich sind. Die Richtung und Grösse der Winkelgeschwindigkei- ten w1, in jedem Flächenelement f1 ist durch die Neigung und Dichte der Schraf- fur angedeutet. Rechts geneigte Schraffur bedeutet dabei nach abwärts gerich- tete Strömung, links geneigte Schraffur symbolisiert eine nach aufwärts gerich- tete Strömung. Die Dichte der Schraffur ist proportional zur Grösse der Geschwin- digkeit. Im Bereich der Längsachse 14 herrscht die geringste Strömungsge- schwindigkeit, was durch schraffurlose hexagonale Flächenelemente /, wiederge-
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Figur 2 dargestellten Tumble-Strömung T zufolge der Einlassströmung E.

Zur Veranschaulichung sind in Fig. 3 nur 37 Messpunkte pro Messebene 2 einge- tragen. Um reproduzierbare Messergebnisse zu erhalten, sollten in der Praxis allerdings mindestens 200 Messpunkte je Messebene 2 verwendet werden.

Claims

ANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Erfassung einer Tumble-Strömung in einem Zylinderraum einer Brennkraftmaschine, wobei ein Tumble-Kennwert als Quotient aus der Win- kelgeschwindigkeit WFK der Tumble-Bewegung und der Winkelgeschwindigkeit WMOT der Brennkraftmaschine bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie eines Strömungsfeldes WLDA im Zylinderraum mit einer differentiellen Messmethode am Strömungsprüfstand für eine vordefinierte An- zahl an Messpunkten i erfasst und der Tumble-Kennwert auf Grund der Asymmetrie des Strömungsfeldes WLDA ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tumble- Kennwert auf Grund eines reduzierten Strömungsfeldes w, gemäss der Glei- chung EMI6.1 ermittelt wird, wobei w die mittlere axiale Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsfeldes WLDA ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tumble-Kennwert auf Grund der Winkelgeschwindigkeiten W1, für mehrere Messpunkte i gemäss der Gleichung EMI6.2 ermittelt wird, wobei r, der Abstand des Messpunktes i von der Mittelachse des Zylinderraumes ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Messpunkt i ein Flächenelement f, zugeordnet wird und dass die Winkelgeschwindigkeit WFK der Tumble-Bewegung auf Grund einer über alle Messpunkte i gewichteten Mittelung der Winkelgeschwindigkeiten W1, be- stimmt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelge- schwindigkeit der Tumble-Bewegung WFK gemäss der Gleichung EMI6.3 berechnet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als differentielle Messmethode die Laser-Doppler-Anemometrie verwen- det wird, wobei in einer Messebene normal zur Mittelachse des Zylinderrau- mes gemessen wird. <Desc/Clms Page number 7>
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messebene in einem Abstand vom Zylinderkopfboden gelegt wird, welche dem halben Bohrungsdurchmesser des Zylinderraumes entspricht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Messebene mindestens 200 Messpunkte i in gleichen Abständen voneinander angeordnet werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jedem Messpunkt i zugeordneten Flächenelemente f, in einem hexa- gonalen Gitter angeordnet sind.