DE102005037279B3

DE102005037279B3 - Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften der Zylinderinnenströmung beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine auf Grundlage stationärer Strömungsmessdaten

Info

Publication number: DE102005037279B3
Application number: DE200510037279
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Seidel; Henry Steuker
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2025-08-04

Abstract

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bereitzustellen, welches die Ermittlung von Eigenschaften der Zylinderinnenströmung beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine auf Grundlage stationärer Strömungsmessdaten ermöglicht. Erfindungsgemäß wird dementsprechend ein Verfahren vorgeschlagen, welches folgende Schritte umfasst: DOLLAR A - Ermittlung einer den Durchfluss als Funktion des Hubes der Einlassventile charakterisierenden Kenngröße in einem stationären Strömungsversuch, DOLLAR A - Ermittlung des Luftmassenstroms, der in einem Betriebspunkt in Abhängigkeit vom Hub der Einlassventile über die Einlassventile strömt, DOLLAR A - Ermittlung von Kennzahlen zur quantitativen Bewertung der Zylinderinnenströmung in einem stationären Strömungsversuch, DOLLAR A - Ermittlung des im jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine vorherrschenden Drehimpulses der in dem Zylinder strömenden Ladung und/oder Ermittlung der im jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine vorherrschenden mittleren Winkelgeschwindigkeit der in dem Zylinder strömenden Ladung aus dem Drehimpuls und der Geometrie des Zylinders.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften der Zylinderinnenströmung beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine auf Grundlage stationärer Strömungsmessdaten.

Im Rahmen der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen werden zunehmend Methoden zur Ermittlung von Eigenschaften der Zylinderinnenströmung angewendet. Entsprechend der Veröffentlichung „Dreidimensionale Messung der Ladungsbewegung mit Doppler Global Velocimetry" in der Motortechnischen Zeitschrift 2/2003, Jahrgang 64, Seite 106–110, erlaubt das darin beschriebene laser-optische Messverfahren auf effiziente Weise umfassende Analysen von Strömungsvorgängen im Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine. In der Vergangenheit konzentrierten sich diese Analysen auf die stationäre Einlassströmung. Da der Ladungswechsel und die Kompression der Zylinderladung jedoch instationäre Vorgänge sind, ist ebenfalls eine Analyse instationärer Strömungsvorgänge im Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine von großer Bedeutung. So offenbart der oben genannte Artikel, dass Analysen periodischer Strömungen im Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine mittels eines Zylinderkopfes mit aktivem Ventiltrieb durchgeführt wurden. Weiterhin wird die Eignung dieses laser-optischen Messverfahrens auch für Analysen von Strömungsvorgängen im Zylinder bei dem Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine beschrieben. Auf der Grundlage dieser Analysen von Strömungsvorgängen im Zylinder bei dem Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine können wiederum Korrelationsbetrachtungen mit Kennwerten, die zur Bewertung des Betriebsverhaltens der Verbrennungskraftmaschine dienen, durchgeführt werden. So ist beispielsweise eine Korrelationsbetrachtung zwischen einer Kenngröße, welche die Bewegung der Ladung im Zylinder beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine in Form einer Drallzahl beschreibt und der messtechnisch ermittelten Partikelemission der Verbrennungskraftmaschine in einem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine möglich.

Die Adaption der zur Durchführung des laser-optischen Messverfahrens erforderlichen Vorrichtungen, gemäß der genannten Veröffentlichung, an eine Verbrennungskraftmaschine, zum Zweck der Analyse von Strömungsvorgängen, die bei dem Betrieb dieser Verbrennungskraftmaschine im Zylinder auftreten, ist jedoch sehr aufwendig und kostenintensiv.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bereitzustellen, welches die Ermittlung von Eigenschaften der Zylinderinnenströmung beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine auf Grundlage stationärer Strömungsmessdaten ermöglicht.

Lösung

Die Aufgabe wird für Verfahren gemäß dem Oberbegriff durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Erfindungsgemäß wird dementsprechend ein Verfahren vorgeschlagen, welches folgende Schritte umfasst:

– Ermittlung einer den Durchfluss als Funktion des Hubes der Einlassventile charakterisierenden Kenngröße in einem stationären Strömungsversuch,
– Ermittlung des Luftmassenstroms, der in einem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit vom Hub der Einlassventile über die Einlassventile strömt,
– Ermittlung von Kennzahlen zur quantitativen Bewertung der Zylinderinnenströmung in einem stationären Strömungsversuch,
– Ermittlung des im jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine vorherrschenden Drehimpulses der in dem Zylinder strömenden Ladung und/oder Ermittlung der im jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine vorherrschenden mittleren Winkelgeschwindigkeit der in dem Zylinder strömenden Ladung aus dem Drehimpuls und der Geometrie der Zylinders.

Die einzelnen Verfahrensschritte sowie ihre Wirkungen untereinander werden im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Es ist von Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren auf Grundlage eines stationären Strömungsversuches eine Berechnung der Eigenschaften der Zylinderinnenströmung beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine erlaubt. Dazu ist es neben dem stationären Strömungsversuch lediglich erforderlich, die Temperatur und den Druck vor den Einlaßventilen sowie den Druck nach den Einlassventilen im jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine messtechnisch zu erfassen.

Auf Grundlage der nunmehr bekannten Größen kann auf vorteilhafte Weise der Luftmassenstrom, der im jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine, in Abhängigkeit vom Hub der Einlassventile über die Einlassventile strömt, ermittelt werden.

Mittels des auf diese Weise berechneten Luftmassenstroms ist es wiederum vorteilhaft möglich, unter Nutzung der Algorithmen zur Bestimmung von Kennzahlen zur quantitativen Bewertung der Zylinderinnenströmung in einem stationären Strömungsversuch, den im jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine vorherrschenden Drehimpuls der in dem Zylinder strömenden Ladung zu ermitteln.

Weiterhin ist eine Ermittlung der im jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine vorherrschenden mittleren Winkelgeschwindigkeit der in dem Zylinder strömenden Ladung aus dem Drehimpuls und der Geometrie der Zylinders auf einfache Weise möglich.

Es ist ein wesentlicher Vorteil, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne aufwendige Adaption der zur Durchführung des laser-optischen Messverfahrens erforderlichen Vorrichtungen, allein auf Grundlage von stationären Strömungsversuchen, Korrelationsbetrachtungen zwischen einer Kenngröße, welche die Bewegung der Ladung im Zylinder beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine beschreibt und messtechnisch ermittelten Kenngrößen einer Verbrennungskraftmaschine in einem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine möglich sind.

Es ist im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht von Bedeutung, ob zur Ermittlung von Kenngrößen, welche die Bewegung der Ladung im Zylinder beschreiben, ein laser-optisches Messverfahren zur Anwendung kommt. Vielmehr ist es ebenfalls möglich, auf Grundlage von drehbar im Zylinder oder einem Abbild des Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten, rotierenden Flügelrädern, Flügelringen oder Strömungsgleichrichtern ermittelte Kenngrößen, welche die Bewegung der Ladung im Zylinder beschreiben, zu nutzen.

Weiterhin ist die Ermittlung des Luftmassenstroms, der in einem Betriebspunkt in Abhängigkeit vom Hub der Einlassventile über die Einlassventile strömt, nicht auf das beschriebene Verfahren beschränkt, sondern kann auch auf Grundlage von Näherungsrechnungen erfolgen.

Beispielhaft wird hier die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Erfindungsgemäß wird zunächst in einem stationären Strömungsversuch eine Variation des Hubes der Einlassventile h_v einer Verbrennungskraftmaschine durchgeführt, wobei die Druckdifferenz
über den Einlassventilen konstant gehalten und der sich einstellende, über die Einlassventile strömende Luftmassenstrom m .₀ messtechnisch ermittelt wird.
Auf Grundlage des Zusammenhanges
kann nun die Durchflusszahl α_K bezüglich der Kolbenfläche A_K als Funktion des Hubes h_v der Einlassventile berechnet werden. Die Temperatur vor den Einlaßventi len T₀₁, der Druck vor den Einlassventilen p₀₁ und der Druck nach den Einlassventilen p₀₂ werden jeweils messtechnisch erfasst. Die Werte für die spezifische Gaskonstante R und den Isentropenexponenten κ für Luft sind allgemein bekannt oder Tabellen zu entnehmen.
Bei dem Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine variiert, im Gegensatz zu dem stationären Strömungsversuch, u. a. die Druckdifferenz
über den Einlassventilen in Abhängigkeit von dem Hub der Einlassventile h_v und in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebspunktes der Verbrennungskraftmaschine. Mittels der in dem stationären Strömungsversuch berechneten Durchflusszahl α_K bezüglich der Kolbenfläche A_K als Funktion des Hubes h_v und durch Umstellung des Zusammenhanges
kann der Luftmassenstrom m .₁ der in einem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit vom Hub der Einlassventile h_v über die Einlassventile strömt, berechnet werden. Wobei der Hub der Einlassventile h_v über eine normierte Einlassventilöffnungszeit τ ausgedrückt ist, die beim Öffnen der Einlassventile den Wert 0 und beim Schließen der Einlassventile den Wert 1 hat.
Die Temperatur vor den Einlaßventilen T₀₁, der Druck vor den Einlassventilen p₀₁ und der Druck nach den Einlassventilen p₀₂ werden im jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine messtechnisch, beispielsweise durch eine Kombination einer dynamischen Hochdruckmessung in dem Zylinder und einer dynamischen Nie derdruckmessung in den Ansaug- und Abgaskanälen beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine, erfasst. Die Werte für die spezifische Gaskonstante R und den Isentropenexponenten κ für Luft sind allgemein bekannt oder Tabellen zu entnehmen.
Weiterhin erfolgt, durch eine Anwendung eines geeigneten Messverfahrens, parallel zu der Variation des Hubes der Einlassventile h_v einer Verbrennungskraftmaschine, eine Ermittlung von Kennzahlen zur quantitativen Bewertung der Zylinderinnenströmung, so genannten Ladungsbewegungskennzahlen. Eine Ermittlung derartiger Kennzahlen erfolgt beispielsweise mit dem laser-optischen Messverfahren „Doppler Global Velocimetry" in Form einer flächenhaften Erfassung der drei Geschwindigkeitskomponenten c_x, c_y und c_z der Zylinderinnenströmung in einer oder mehreren Messebenen des Zylinders.
Eine mögliche Kennzahl zur quantitativen Bewertung der Zylinderinnenströmung ist die so genannte Drallzahl D(τ), welche die Intensität der Zylinderinnenströmung um die Zylinderachse z in Abhängigkeit vom Hub der Einlassventile h_v beschreibt. Die Drallzahl D(τ) kann auf Grundlage der tangentialen Komponente des Geschwindigkeitsvektors c_tFE eines einzelnen Flächenelementes und dem radialen Abstand des Flächenelementes von der Zylinderachse r_FE und dem Betrag des Massenstroms durch ein Flächenelement |Δm ._FE| wie folgt berechnet werden:
wobei der Zylinderradius r_zyl bekannt ist, der Volumenstrom V . aus dem messtechnisch ermittelten, über die Einlassventile strömenden Luftmassenstrom m . bestimmt werden kann und die Normdichte der Luft ρ_n Tabellen zu entnehmen ist. Dabei beschreibt M_z das Drehmoment der Strömung der Ladung um die Zylinderachse.
Die auf diese Weise ermittelte Drallzahl D(τ) ist jedoch lediglich auf eine Messebene bezogen, daher ist es zweckmäßig, an weiteren Messebenen entlang der Zylinderachse die drei Geschwindigkeitskomponenten c_x, c_y und c_z der Zylinderinnenströmung flächenhaft zu erfassen und auf die oben beschriebene Weise unabhängige Drallzahlen D_i(τ) je Messebene zu berechnen, wobei der Abstand der jeweiligen Messebene von einem Koordinatenursprung, etwa der Ebene der Zylinderkopfdichtung, durch die Variable Δz₁ bezeichnet ist.
Es besteht nun die Möglichkeit mit
eine auf das Messvolumen bezogene Drallzahl D_Vol(τ) für n Messebenen zu berechnen, wobei H Summe aller Δz repräsentiert.
Es ist nun weiterhin erfindungsgemäß vorgesehen, auf Grundlage der im stationären Strömungsversuch ermittelten Werte, den im jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine vorherrschenden Drehimpuls der in dem Zylinder strömenden Ladung zu berechnen. Dazu wird der Zusammenhang
zur Ermittlung der Drallzahl D(τ) nach dem Drehmoment der Strömung der Ladung um die Zylinderachse M_z(τ) wie folgt umgestellt
wobei für weitere Betrachtungen die Drallzahl D(τ) durch die auf das Messvolumen bezogene Drallzahl D_Vol(τ) ersetzt wird
wobei mittels dieses Zusammenhangs das Drehmoment der Strömung der Ladung um die Zylinderachse M_z(τ) in Abhängigkeit vom Hub der Einlassventile h_v unter Nutzung des ermittelten Luftmassenstroms m .₁, der in einem Betriebspunkt in Abhängigkeit vom Hub der Einlassventile h_v über die Einlassventile strömt und der auf das Messvolumen bezogenen Drallzahl D_Vol(τ) für n Messebenen errechnet werden kann.
Nunmehr besteht die Möglichkeit, den im jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine auf Grundlage des Zusammenhangs
vorherrschenden Drehimpuls I_1ges der in dem Zylinder strömenden Ladung zu berechnen. Dabei beschreibt der Term t_ES – t_EÖ die Zeitspanne zwischen dem Öffnen und dem Schließen der Einlassventile in dem jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine.
Weiterhin ist es nun möglich, die im jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine vorherrschende Winkelgeschwindigkeit ω aus dem Drehimpuls I_1ges der in dem Zylinder strömenden Ladung und der Geometrie der Zylinders auf Grundlage von
zu berechnen, wobei für das Trägheitsmoment J verschiedene Wirbelarten im Zylinder der Verbrennungskraftmaschine angenommen werden können, beispielsweise ein Festkörperwirbel. Durch Aufsummierung der Werte des Luftmassenstroms m .₁, der in einem Betriebspunkt in Abhängigkeit vom Hub der Einlassventile h_v zwischen dem Öffnen der Einlassventile und dem Schließen der Einlassventile über die Einlassventile strömt, kann die Masse m_ges1 der Ladung, welche in dem jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine im Zylinder verbleibt, berechnet werden.
Die Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit ω kann ebenfalls auch in der zylindrischen Kolbenmulde einer Verbrennungskraftmaschine auf diese Weise ermittelt werden, wobei dazu lediglich der Radius der Kolbenmulde r_KM anstelle des Radius des Zylinders r_zyl zu Grunde gelegt wird.

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften der Zylinderinnenströmung beim Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine auf Grundlage stationärer Strömungsmessdaten, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Ermittlung einer den Durchfluss als Funktion des Hubes der Einlassventile charakterisierenden Kenngröße in einem stationären Strömungsversuch, – Ermittlung des Luftmassenstroms, der in einem Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit vom Hub der Einlassventile über die Einlassventile strömt, – Ermittlung von Kennzahlen zur quantitativen Bewertung der Zylinderinnenströmung in einem stationären Strömungsversuch, – Ermittlung des im jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine vorherrschenden Drehimpulses der in dem Zylinder strömenden Ladung, und/oder Ermittlung der im jeweiligen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine vorherrschenden mittleren Winkelgeschwindigkeit der in dem Zylinder strömenden Ladung aus dem Drehimpuls und der Geometrie der Zylinders.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Durchfluss charakterisierende Kenngröße die Durchflusszahl α_K bezüglich der Kolbenfläche A_K ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Luftmassenstroms, der in einem Betriebspunkt in Abhängigkeit vom Hub der Einlassventile über die Einlassventile strömt, auf Grundlage von Näherungsrechnungen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung von Kennzahlen zur quantitativen Bewertung der Zylinderinnenströmung in einem stationären Strömungsversuch auf Grundlage eines laser-optischen Messverfahrens, auf Grundlage von drehbar im Zylinder oder einem Abbild des Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten, rotierenden Flügelrädern, Flügel ringen oder Strömungsgleichrichtern ermittelte Kenngrößen, welche die Bewegung der Ladung im Zylinder beschreiben, erfolgt.