DE10247709B4

DE10247709B4 - Prüfstand für optische Messungen von Strömungsverhältnissen von Fluiden

Info

Publication number: DE10247709B4
Application number: DE2002147709
Authority: DE
Inventors: Henry Dr. Bensler
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-10-12
Filing date: 2002-10-12
Publication date: 2010-05-06
Anticipated expiration: 2022-10-13
Also published as: DE10247709A1

Abstract

Prüfstand für optische Messungen von Strömungsverhältnissen von Fluiden, wobei die Strömung eine Wirbelströmung, insbesondere eine Tumble- und/oder Drallströmung ausbildet, insbesondere für Untersuchungen von Ladungsbewegungen beim Ladungswechsel im Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei der Prüfstand eine aus einem Kasten und einem Zylinder bestehende Baugruppe (14) aufweist, an deren oberer Stirnseite ein Zylinderkopf (10) oder ein Einlasskanalmodell mit Gaswechselventilen montierbar ist, und die Baugruppe (14) aus zwei separaten und durchsichtigen Teilen (1; 2) gebildet wird, die unterschiedliche Durchmesser und Dimensionen aufweisen und ineinander angeordnet sind, wobei ein innerer Zylinder (1) eine kürzere Länge als ein äußerer Kasten (2) aufweist, an seiner oberen Stirnseite offen ausgestaltet ist, an dieser oberen Stirnseite mit dem Zylinderkopf (10) oder dem Einlasskanalmodell in Wirkverbindung steht und an seiner unteren Stirnseite für Drallströmungen offen und für Tumbleströmungen geschlossen mit zwei seitlichen Öffnungen ausgestaltet ist und wobei der äußere Kasten (2) an seiner oberen und unteren Stirnseite jeweils geschlossen ausgestaltet...

Description

Die Erfindung betrifft einen Prüfstand für optische Messungen von Strömungsverhältnissen von Fluiden, wobei die Strömung eine Wirbelströmung, insbesondere eine Tumble- und/oder Drallströmung ausbildet, insbesondere für Untersuchungen von Ladungsbewegungen beim Ladungswechsel im Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei der Prüfstand eine zylinderförmige Baugruppe aufweist, an deren oberer Stirnseite ein Zylinderkopf oder ein Einlasskanalmodell mit Gaswechselventilen montierbar ist und wobei unter Anwendung optisch-mathematischer Auswerteverfahren die Kennzahlen von Tumble- und/oder Drall ermittelbar sind.
Für verschiedenartige technische Anwendungen wird eine Beobachtung von Fluidbewegungen in abgeschlossenen Räumen angestrebt. Eine diesbezügliche Anwendung ist beispielsweise die Untersuchung von Ladungsbewegungen, die infolge der Strömungsverhältnisse beim Ladungswechsel im Brennraum einer Brennkraftmaschine entstehen. Hierbei werden die Strömungen um die Zylinderachse als Drall und die Strömungen senkrecht zur Zylinderachse als Tumble bezeichnet. Drall- und Tumbleströmungen treten überwiegend gleichzeitig und in verschiedener Form als Wirbelströmung auf und beeinflussen wesentlich den Verbrennungsablauf. Deshalb erfolgen vorzugsweise im Entwicklungsprozess neuer Brennkraftmaschinen Messungen der Ladungsbewegungen, um durch die konstruktive Gestaltung von Ventilen, Einlasskanälen und Brennräumen solche Strömungsformen zu erzielen, die einen weitgehend optimalen Verbrennungsablauf bewirken.
Gemäß „Motortechnische Zeitschrift” (MTZ 61, Jahrgang 2000, Heft 1, Seite 40 ff.) können Kennzahlen für Drall und Tumble mit mechanisch arbeitenden Aufnahmeverfahren ermittelt werden, indem unter Verwendung eines Prüfstandes für stationäre Strömung integrative Methoden angewendet werden. Dabei sind im Strömungsweg mechanische Bauteile (z. B. ein Flügelrad oder ein Momentenmessgerät) zur Ermittlung der Parameter Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit angeordnet. Dies führt jedoch zu einer nachteiligen Veränderung der Strömungsverhältnisse, so dass die erzielten Messergebnisse nicht den im realen Betrieb auftretenden Verhältnissen entsprechen.
In EP 0 566 120 B1 wird vorgeschlagen, die Strömungsverhältnisse u. a. in Brennräumen von Brennkraftmaschinen mit dem sog. PIV-Verfahren (Particle Image Velocimetry) zu erfassen. Dem Fluid sind bei diesem optischen Nachweisverfahren Markierungspartikel zugeordnet und das strömende Fluid wird mit einem kontinuierlichen oder gepulsten Laser angestrahlt. Durch die Markierungspartikel werden Fluidverteilung, Strömungsrichtung und Strömungsgeschwindigkeit sichtbar, wobei die entsprechenden Momentanbilder mit einer Kamera aufgenommen und mittels einer Bildverarbeitung ausgewertet werden. Dabei wird die dreidimensionale Strömung als zweidimensionale Geschwindigkeits-Vektorfelder erfaßt. Anhand der Geschwindigkeitsfelder können Kennwerte für Drall und Tumble mathematisch berechnet werden. Nachteilig bei herkömmlichen Kennzahlermittlungen ist, dass diese auf einen ortsfesten Mittelpunkt der Drall- oder Tumble- Strömung aufsetzen. Ein solcher ortsfester Mittelpunkt ist jedoch nur theoretisch gegeben und im realen Betrieb nicht tatsächlich an dieser willkürlich festgelegten Stelle vorhanden. Deshalb weichen die ermittelten Werte teilweise erheblich von den real vorhandenen Werten ab.
Dieser Nachteil wird durch Anwendung des Verfahrens zum Messen von Strömungsverhältnissen von Fluiden gemäß DE 100 38 460 A1 überwunden. Hierbei werden aus den Momentanaufnahmen jeweilige tatsächliche Mittelpunkte der Wirbelströmung ermittelt und die Kennzahlen aus den Strömungsvektoren an den verschiedenen Orten berechnet. Zur Berechnung wird für jeden Ort eines jeweiligen Strömungsvektors ein zugehöriger Ortsvektor verwendet, der vom tatsächlichen Mittelpunkt der Wirbelströmung als Ursprung ausgeht. Das Verfahren wird unter Nutzung eines stationären Prüfstandes durchgeführt.
Dabei wird ein Zylinderkopf oder ein Einlasskammermodel mit Einlasskanälen auf dem Prüfstand montiert, der für einen Zylinder mit einem feststehenden Kolben eine Tumbleströmung ausbildet und der für einen Zylinder ohne Kolben eine Drallströmung ausbildet. Bei einem konstanten Druckunterschied zwischen dem Eintritt der Einlasskanäle und dem Zylinder wird eine Kanalströmung in den Zylinder eingeleitet. Um die zu messende Strömung nur wenig zu beeinflussen, werden die Momentanaufnahmen vorzugsweise mittels PIV-Verfahren hergestellt. Im Gegensatz zu konventionellen Berechnungsverfahren wird nicht eine vorbestimmte, feststehende ideale Drehachse als Ursprung für die Ortsvektoren verwendet, sondern nur derjenige Punkt im jeweiligen zweidimensionalen Messfeld, bei dem die reale Drehachse der Strömung das Messfeld schneidet.
Diese technische Lösung gemäß DE 100 38 460 A1 hat sich grundsätzlich bewährt, weil eine Bewegung des gesamten Strömungsfeldes unbeeinflusst durch die verwendeten Markierungspartikel und den Meßaufbau bleibt und keinen Einfluß auf das Meßergebnis hat. Problematisch ist allerdings die konstruktive Ausgestaltung des hierfür zu verwendenden stationären Strömungsprüfstandes. Die bisher bekannten stationären Strömungsprüfstände liefern lediglich integrale Werte des Tumbles und Dralls und erstellen teilweise widersprüchliche Ergebnisse. Ferner ermöglichen diese Prüfstände keine Beobachtung der Strömung.
Ein Beispiel eines eingangs beschriebenen Prüfstandes ist in der US 5,072,613 offenbart, der ferner eine Baugruppe aus zwei separaten Teilen aufweist, die unterschiedliche Durchmesser und Dimensionen besitzen. Zusätzlich ist ein Zylinder durchsichtig und an seiner oberen Stirnseite offen vorgesehen, der mit dem Zylinderkopf in Wirkverbindung steht.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Prüfstand für optische Messungen von Strömungsverhältnissen von Fluiden zur Bestimmung der Kennzahlen von Tumble und/oder Drall zu schaffen, der eine Beobachtung der Strömung von allen Seiten ermöglicht. Hierbei sollen die, für die Messungen verwendeten Baugruppen vollständig außerhalb des Strömungsweges angeordnet werden.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem der Prüfstand eine kombinierte kastenförmige und eine zylinderförmige Baugruppe aufweist, die aus zwei separaten und durchsichtigen Teilen gebildet wird, die unterschiedliche Durchmesser und Dimensionen aufweisen und ineinander angeordnet sind, wobei der innere Zylinder eine kürzere Länge als der äußere Kasten aufweist, an seiner oberen Stirnseite offen ausgestaltet ist, an dieser oberen Stirnseite mit dem Zylinderkopf oder dem Einlasskanalmodell in Wirkverbindung steht und an seiner unteren Stirnseite für Drallströmungen offen und für Tumbleströmungen geschlossen mit zwei seitlichen Öffnungen ausgestaltet ist und wobei der äußere Kasten an seiner oberen und unteren Stirnseite jeweils geschlossen ausgestaltet ist und an seiner Mantelfläche zumindest zwei Öffnungen aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche, deren Merkmale und Vorteile im Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.
Der vorgeschlagene optische Prüfstand ermöglicht durch seinen kastenförmigen Aufbau eine Beobachtung der Strömung von allen Seiten. Dieser Prüfstand ist zur Ermittlung von Kennzahlen für Tumble und Drall von Wirbelströmungen geeignet, insbesondere unter Anwendung eines Verfahrens zum Messen von Strömungsverhältnissen von Fluiden gemäß DE 100 38 460 A1 . In vorteilhafter Weise können zusätzliche Baugruppen im Strömungsweg entfallen, so dass keine Beeinflussung der Strömung auftritt. Für die Messungen wird der innere Zylinder verwendet. Mit diesem Prüfstand können neben der Ermittlung von quantitativen Messgrößen wie Drall- oder Tumblezahl auch qualitativ gemittelte oder zeitaufgelöste Informationen über die Strömungsstruktur in Form von Vektorbildern dargestellt werden.
Der erfindungsgemäße Prüfstand ist für optische Messungen der Strömungsverhältnisse in verschiedenartigen Fluiden und für unterschiedliche technische Gebiete geeignet. Eine bevorzugte Anwendung sind Untersuchungen der Ladungsbewegungen beim Ladungswechsel im Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
1: den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Prüfstandes
2: einen vergrößerten Ausschnitt aus 1 mit Darstellung weiterer Details
3: eine Anordnung zur Messung von Parametern unter Anwendung des PIV-Verfahrens (Particle Image Velocimetry)
4: eine graphische Veranschaulichung des Messprinzips des PIV-Verfahrens
Der Prüfstand weist eine kombinierte kastenförmige und eine zylinderförmige Baugruppe auf, an deren oberer Stirnseite ein Zylinderkopf oder ein Einlasskanalmodell mit Gaswechselventilen montierbar ist. Unter Anwendung optisch-mathematischer Auswerteverfahren werden die Kennzahlen von Drall und/oder Tumble ermittelt, wobei als Strömungs-Visualisierungsverfahren z. B. das sog. PIV-Verfahren (Particle Image Velocimetry) verwendet wird. Sowohl eine entsprechende Anordnung (die in 3 stilisiert dargestellt ist) als auch ein entsprechendes Verfahren (das in 4 stilisiert dargestellt ist) sind aus DE 100 38 460 A1 bereits grundsätzlich als Stand der Technik bekannt. Da die vorliegende Erfindung eine solche technische Lösung weiterentwickelt, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 und 4 zunächst nochmals das Grundprinzip kurz erläutert.
Gemäß 3 wird ein Zylinderkopf 10 mit Einlasskanälen 12 oder ein Einlasskanalmodell (hier nicht dargestellt) auf einem Prüfstand montiert, der einen Zylinder 14 mit einem unten offenen oder einem feststehenden Kolben (hier nicht dargestellt) ausbildet. Bei einem konstanten Druckunterschied zwischen dem Eintritt der Einlasskanäle 12 und dem Zylinder 14 wird eine Kanalströmung in den Zylinder 14 eingeleitet. Mit einer Kamera 16 wird mittels PIV-Verfahren ein zweidimensionales Messfeld 20 aufgenommen. In einem Computer 18 werden an verschiedenen Orten dieses Messfeldes 20 die entsprechenden Geschwindigkeitsvektoren, d. h. Betrag und Richtung der Geschwindigkeit, analysiert.
Wie aus 4 ersichtlich, wird mittels des PIV-Verfahrens das sich unterhalb des Zylinderkopfes 10 ausbildende Strömungsfeld 26 gemessen. Hierzu strahlt eine Lichtquelle 22 durch eine Lichtschnittoptik 24 auf das Strömungsfeld 26. Somit ergibt sich ein Lichtschnitt 28, der das Strömungsfeld in einer zweidimensionalen Ebene 30, d. h. in einem Beobachtungsfeld 30, für die Kamera 16 sichtbar macht. Die Kamera 16 nimmt dabei das Beobachtungsfeld 30 durch ein Objektiv 32 auf. Auf diese Weise wird für mehrere Zeitpunkte ”t” ein zweidimensionales Messfeld 20 aufgenommen. Schließlich werden durch numerische Integration der für verschiedene Zeitpunkte ”t” gemessenen Messfelder 20 entsprechende Kennzahlen für Tumble und Drall ermittelt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Baugruppe 14 aus zwei separaten Teilen, dem Zylinder 1 und dem Kasten 2, gebildet wird, die ineinander angeordnet sind. Diese Ausgestaltung ist aus 1 und 2 ersichtlich, auf die nunmehr Bezug genommen wird.
Der Zylinder 1 und der Kasten 2 bestehen aus durchsichtigem Material, vorzugsweise aus Acrylglas, und weisen unterschiedliche Durchmesser und Dimensionen auf. Weiterhin sind der Zylinder 1 und der Kasten 2 so angeordnet, dass ihre oberen Stirnseiten in einer gemeinsamen Ebene verlaufen. Hierbei wird eine zweckmäßige Ausgestaltung erreicht, sofern der Zylinder 1 und der Kasten 2 mit ihren oberen Stirnseiten in einer gemeinsamen Baugruppe 3 abgestützt sind. Dies ist vorzugsweise eine Aluminiumplatte 3.
Der Zylinder 1 weist eine kürzere Länge als der äußere Kasten 2 auf. Weiterhin ist der Zylinder 1 an seiner oberen Stirnseite offen ausgestaltet, wobei er mit dieser oberen Stirnseite mit dem Zylinderkopf 10 oder mit einem, hier nicht dargestellten Einlasskanalmodell in Wirkverbindung steht. An seiner unteren Stirnseite ist der Zylinder 1 für Drallströmungen offen und für Tumbleströmungen geschlossen mit zwei seitlichen Öffnungen ausgestaltet.
Der Kasten 2 ist an seiner oberen und unteren Stirnseite jeweils geschlossen ausgestaltet und weist an seiner Mantelfläche zumindest zwei Öffnungen 4 auf. Vorzugsweise sind diese Öffnungen 4 diametral gegenüberliegend angeordnet und stehen mit einer gemeinsamen Leitung 5 in Wirkverbindung. Der Prüfstand wird in an sich bekannter Weise komplettiert. Dies erfolgt insbesondere, indem der Leitung 5, ausgehend vom Kasten 2, in Strömungsrichtung ein Drosselventil 6, ein Filter 7, ein Strömungsmengenmesser 8 und eine Pumpe 9 zugeordnet werden.
Die Strömungswege im Prüfstandsbetrieb sind in 1 und 2 lediglich beispielhaft mit Pfeilen stilisiert. Dabei erfolgt die Erfassung der Messwerte vorzugsweise mit dem bereits oben beschriebenen PIV-Verfahren.

1: innerer Zylinder
2: äußerer Kasten
3: Baugruppe zur Abstützung der Zylinder/Aluminiumplatte
4: Öffnung am äußeren Zylinder
5: Leitung
6: Drosselventil
7: Filter
8: Strömungsmengenmesser
9: Pumpe
10: Zylinderkopf (oder Einlasskanalmodell)
12: Einlasskanal
14: Baugruppe: Zylinder und Kasten
16: Kamera
18: Computer
20: zweidimensionales Messfeld
22: Lichtquelle
24: Lichtschnittoptik
26: Strömungsfeld
28: Lichtschnitt
30: Beobachtungsebene
32: Objektiv

Claims

Prüfstand für optische Messungen von Strömungsverhältnissen von Fluiden, wobei die Strömung eine Wirbelströmung, insbesondere eine Tumble- und/oder Drallströmung ausbildet, insbesondere für Untersuchungen von Ladungsbewegungen beim Ladungswechsel im Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei der Prüfstand eine aus einem Kasten und einem Zylinder bestehende Baugruppe (14) aufweist, an deren oberer Stirnseite ein Zylinderkopf (10) oder ein Einlasskanalmodell mit Gaswechselventilen montierbar ist, und die Baugruppe (14) aus zwei separaten und durchsichtigen Teilen (1; 2) gebildet wird, die unterschiedliche Durchmesser und Dimensionen aufweisen und ineinander angeordnet sind, wobei ein innerer Zylinder (1) eine kürzere Länge als ein äußerer Kasten (2) aufweist, an seiner oberen Stirnseite offen ausgestaltet ist, an dieser oberen Stirnseite mit dem Zylinderkopf (10) oder dem Einlasskanalmodell in Wirkverbindung steht und an seiner unteren Stirnseite für Drallströmungen offen und für Tumbleströmungen geschlossen mit zwei seitlichen Öffnungen ausgestaltet ist und wobei der äußere Kasten (2) an seiner oberen und unteren Stirnseite jeweils geschlossen ausgestaltet ist und an seiner Mantelfläche zumindest zwei Öffnungen (4) aufweist, und wobei unter Anwendung optisch-mathematischer Auswerteverfahren die Kennzahlen von Tumble und/oder Drall ermittelbar sind.
Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (1) und der Kasten (2) mit ihren oberen Stirnseiten in einer gemeinsamen Ebene verlaufend angeordnet sind.
Prüfstand nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (1) und der Kasten (2) mit ihren oberen Stirnseiten in einer gemeinsamen Baugruppe (3) abgestützt sind.
Prüfstand nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (1) und der Kasten (2) mit ihren oberen Stirnseiten in einer Aluminiumplatte (3) abgestützt sind.
Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (1) und der Kasten (2) aus Acrylglas bestehen.
Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (4) in der Mantelfläche des äußeren Kastens (2) diametral gegenüberliegend angeordnet sind.
Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (4) in der Mantelfläche des äußeren Kastens (2) mit einer gemeinsamen Leitung (5) in Wirkverbindung stehen.
Prüfstand nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitung (5), ausgehend vom äußeren Kasten (2), in Strömungsrichtung ein Drosselventil (6), ein Filter (7), ein Strömungsmengenmesser (8) und eine Pumpe (9) zugeordnet sind.