DE20109773U1 - Einrichtung zur Untersuchung der Strömungsbewegung eines gasförmigen Mediums in einem Zylinderraum - Google Patents

Description

Bezeichnung: Einrichtung zur Untersuchung der Strömungsbewegungen eines gasförmigen Mediums in einem Zylinderraum

Beschreibung

Bei der Entwicklung von Hubkolbenbrennkraftmaschinen ist die Kenntnis der Strömungsvorgänge im Brennraum insbesondere für den Ansaug- und Kompressionstakt von Bedeutung, um durch konstruktive Maßnahmen Einfluß auf den Strömungsverlauf, die Gemischbildung,, die Gemischverteilung und die hiervon abhängigen Vorgänge in bezug auf die Zündung und den Ablauf der Verbrennung im Brennraum nehmen zu können und zwar sowohl für Brennkraftmaschinen die nach dem Otto-Verfahren arbeiten als auch für Brennkraftmaschinen, die nach dem Diesel-Verfahren arbeiten.

Zu untersuchen sind hierbei grundsätzlich zwei unterschiedliche Strömungsbewegungen im Zylinderraum. Hierbei handelt es 0 sich einmal um eine sogenannte Drallströmung, d. h. eine Strömungsbewegung, deren Drehachse im wesentlichen durch die Zylinderachse vorgegeben wird und die durch eine besondere Anordnung und Ausbildung von einem oder mehreren Gaseinlaßkanälen bewirkt werden kann. Zum anderen handelt es sich um ei-5 ne sogenannte Tumble-Strömung, d. h. eine Strömungsbewegung, deren Drehachse quer zur Zylinderachse ausgerichtet ist und die ebenfalls durch eine entsprechende Anordnung des oder der Gaseinlaßkanäle erzeugt werden kann.

0 Bei der Verwendung von voll-variabel steuerbaren Ventilantrieben ist es darüber hinaus möglich, bei beispielsweise zwei Gaseinlaßkanälen je nach Lastanforderung Kombinationen und Überlagerungen dieser Strömungsbewegungen zu erzeugen.

Um die Einflüsse der verschiedenen Möglichkeiten zur Gestaltung eines Brennraums untersuchen zu können, ist aus EP 0 611 955 Bl eine Einrichtung zur Untersuchung der Strö-

mungsbewegung in einem Zylinderraum bekannt, der im wesentlichen dem Brennraum einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nachgebildet ist. Die Zylinderdecke weist zwei Gaseinlässe mit einstellbaren Ventilkörpern auf und der Boden ist mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen versehen. Zur Erfassung der Strömungsbewegung ist im Zylinderraum ein drehbar gelagerter Meßflügel angeordnet, dessen Welle mit einem Meßaufnehmer zur Erfassung der durch die Strömungsbewegung induzierten Drehbewegung des Meßflügels verbunden ist. Da für die Strömungsführung und die Ausbildung der Strömung im Zylinderraum auch der Boden des Zylinderraums von Bedeutung ist, der in der Praxis dem Kolbenboden entspricht, wird das Strömungsfeld durch die im Kolbenboden angeordneten Durchtrittsöffnungen für das abströmende Gas, in der Regel Luft, in diesem Bereich nicht unbeträchtlich verzerrt so daß eine den tatsächlichen Verhältnissen weitgehend entsprechende Nachbildung der tatsächlichen Strömungsvorgänge nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung 0 der vorstehend bezeichneten Art zu schaffen, mit der diese Nachteile vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Einrichtung der vorstehend bezeichneten Art der Boden mit einer Vielzahl von düsenförmigen Durchtrittsöffnungen versehen, die jeweils einen konvergenten Wandungsverlauf aufweisen, wobei der größere Durchtrittsquerschnitt dem Zylinderraum zugekehrt ist und ein Unterdruckerzeuger auf der dem Zylinderraum abgekehrten Seite des Bodens vorgesehen ist, der so ausgelegt ist, daß jeweils 0 im engsten Durchtrittsquerschnitt der düsenförmigen Durchtrittsöffnungen für das durchströmende Gas eine Strömung mit Schallgeschwindigkeit eingestellt werden kann. Diese Lösung nutzt die Tatsache auf, daß die Schallgeschwindigkeit im stationären, kalten und daher nahezu isothermen Strömungsversuch 5 eine Konstante darstellt. Dementsprechend ist die axiale Geschwindigkeitsverteilung im Zylinderraum nicht mehr von den über dem Boden herrschenden lokal unterschiedlichen Druckver-

hältnissen abhängig, die durch die unterschiedlichen Strömungsverteilungen im Zylinderraum verursacht werden. Die mittlere axiale Abströmgeschwindigkeit wird nur noch vom Verhältnis der Summe der engsten Querschnitte der Durchtritts-Öffnungen zur Bodenfläche bestimmt, da die Schallgeschwindigkeit eine reine Temperaturfunktion ist. Damit wird aber genau die Wirkung eines bewegten Kolbens simuliert, der unabhängig von der aktuellen Druckverteilung im Zylinder ein räumlich gleichmäßiges, aciales Strömungsfeld vorgibt. Ein weiterer Vorteil ist dadurch gegeben, daß die Ansprüche an den stromab angeordneten Unterdruckerzeuger deutlich reduziert werden können. Aufgrund des Schallzustandes im engsten Querschnitt der Durchtrittsöffnungen kann die Strömungsführung hinter dem mit düsenförmigen Durchtrittsöffnungen versehenen Boden nicht auf die Strömungsverhältnisse im Zylinderraum zurückwirken.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die düsenförmigen Durchtrittsöffnungen in Strömungsrichtung gesehen, jeweils im Anschluß an den engsten 0 Durchtrittsquerschnitt mit einer diffusorartigen Erweiterung versehen sind. Eine derartige Gestaltung der Durchtrittsöffnungen in Form einer Lavaldüse stabilisiert die Strömungsverhältnisse im engsten Querschnitt. Zweckmäßigerweise ist das Verhältnis des engsten Durchtrittsquerschnittes A* zum Austrittsquerschnitt A₂ des Diffusorteils so bemessen, daß das Verhältnis A*/A₂ < 1 entspricht. Bei einer derartigen Auslegung stellt sich im engsten Durchtrittsquerschnitt bereits vor dem äußeren kritischen Druckverhältnis von P₂Zp₁ = 0,528 im engsten Durchtrittsquerschnitt A* der Schallzustand ein.

0 P₁ ist hierbei der Druck im Zylinderraum und p₂ ist hierbei der Druck an der Autrittsseite des Diffusors.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Auslegung der Durchtrittsöffnungen als Überschalldüsen liegt auch darin, daß nach Überschreiten der Schallgrenze der Massenstrom unabhängig vom eingestellten Druckverhältnis konstant ist, so daß an die Regelung des vom Unterdruckerzeuger vorzugebenden Un-

terdrucks geringere Ansprüche zu stellen sind. Ein weiterer Vorteil besteht auch darin, daß im Zylinderraum nicht nur stationäre Strömungsverhältnisse sondern auch instationäre Strömungsverhältnisse untersucht werden können, so beispielsweise der Einfluß des Ventilkörpers in der Bewegung und der Einfluß seiner unterschiedlichen geometrischen Lage zur Einlaßöffnung des Einlaßkanals in der Zylinderdecke. Die Einrichtung ist gegenüber derartigen gewollten Druckschwankungen bzw. Druckänderungen im Zylinderraum solange unempfindlich, wie das bei Aufrechterhaltung einer Schallgeschwindigkeit im engsten Düsenquerschnitt notwendige Druckverhältnis zwischen dem Zylinderraum und dem Unterdruckerzeuger eingehalten wird.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die Anordnung eines Diffusors ein Druckrückgewinn möglich ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Boden in seinem Abstand zur Zylinderdecke einstellbar ist. Damit ist es möglich, die Strömungszustände für unterschiedliche "Kolbenstellungen" gegenüber der Zylinderdecke zu untersuchen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Boden exzentrisch um die Achse des Zylin-5 derraumes rotierbar gelagert ist. Durch diese Anordnung wird die Ausbildung ausgeprägter Stromfäden vermieden. Durch die ständig wechselnde Beaufschlagung der einzelnen Düsen an verschiedenen Orten stellt sich im Zusammenspiel mit der Massenträgheit der Luftsäule in den einzelnen Durchtrittsöffnungen 0 eine weitere Vergleichmäßigung der axialen Strömungskomponente ein, da jeder Ort mit jedem anderen in Wechselwirkung eintritt. Hierdurch wird für alle anderen Strömungskomponenten eine geschlossene Reflektionsflache simuliert und die Gleichmäßigkeit der axialen Abströmung verbessert. 35

Mit Hilfe einer derartigen Einrichtung lassen sich auch optische Untersuchungen der Strömungsbewegungen durchführen, wenn :*·.:··· .··..··. .: .··..··. ···:···:«·: _{: : #:}

durch entsprechende und bekannte Maßnahmen die Strömung sichtbar gemacht wird.

Da es für die durchzuführenden Untersuchungen auch darauf ankommt, die Intensität der Strömung zu erfassen, ist für die Untersuchung einer Tumble-Strömung in einer Ausgestaltung der Erfindung im zylindrischen Raum ein um eine quer zur Zylinderachse ausgerichtete Achse drehbarer, wenigstens zweiflügeliger Meßflügel angeordnet.

Zur Untersuchung einer Drallströmung ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß im Zylinderraum ein um die Zylinderachse drehbarer, wenigstens zweiflügeliger Meßflügel angeordnet ist.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dem Meßflügel einen berührungslos wirkenden Meßaufnehmer zur Erfassung der Drehzahl zuzuordnen.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Einrichtung zur Untersuchung einer Tumble-Strömung, 25

Fig. 2 einen Teil-Vertikalschnitt durch die düsenförmigen Durchtrittsöffnungen des Bodens,

Fig. 3 in einem vertikalen Teilschnitt eine Ausführungs-0 form mit drehbar gelagertem Boden,

Fig. 4 ein Diagramm über die Abhängigkeit des Massestroms vom kritischen Druckverhältnis und vom Querschnittsverhaltnis.
35

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung weist einen Zylinderraum 1 auf, der dem Brennraum einer Hubkolbenbrennkraftma-

schine nachgebildet ist. In der Zylinderdecke 2 sind zwei nebeneinander liegende Gaseinlaßkanäle 3 vorgesehen, deren Einlaßquerschnitt in den Zylinderraum 1 über einstellbare Ventilkörper 4 veränderbar ist. Nach unten ist der Zylinderraum 1 durch einen Boden 5 abgeschlossen, der bei dem dargestellten Beispiel in seinem Abstand zur Zylinderdecke 2 einstellbar ist.

Der Boden 5 ist mit einer Vielzahl von düsenartigen Durchtrittsöffnungen 6 versehen, die jeweils einen konvergenten Wandungsverlauf aufweisen, wobei der größere Durchtrittsquerschnitt dem Zylinderraum zugekehrt ist.

Das untere Ende des Zylinderraums 1 ist druckdicht an einen hier nur schematisch dargestellten Absaugkanal 7 angeschlossen, der mit der Saugseite eines Unterdruckerzeugers 8 verbunden ist. Als Unterdruckerzeuger können statische Verdrängermaschinen, wie Rootsverdichter, Schraubenlader oder dergl. eingesetzt werden oder aber auch Strömungsmaschinen, wie Seitenkanalverdichter oder dergl.. Infolge des vom Unterdruckerzeuger 8 bewirkten Unterdrucks im Zylinderraum 1 strömt über die Einlaßkanäle 3 Luft in den Zylunderraum nach, so daß sich aufgrund der hier dargestellten Geometrie der Einlaßkanäle 3 im Zylinderraum 1 eine Tumble-Strömung einstellt, deren Dreh-5 achse quer zur Zylinderachse 9 ausgerichtet ist.

Zur Erfassung der Intensität dieser Tumble-Strömung ist im Zylinderraum 1 ein drehbar gelagerter Meßflügel 10 angeordnet, der über einen hier nicht näher dargestellten Meßaufneh-0 mer zur Erfassung der Drehzahl des Maßflügels mit einer Auswerteeinrichtung in Verbindung steht.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die düsenförmigen Durchtrittsöffnungen 6, wie der vergrößerte Teil-Vertikalsschnitt durch den Boden 5 in Fig. 2 zeigt, als sogenannte Laval-Düsen ausgebildet. Die düsenförmigen Durchtrittsöffnungen 6 weisen jeweils einen konvergenten Wandungs-

verlauf auf, wobei der größere Durchtrittsquerschnitt 11 dem Zylinderraum 1 zugekehrt ist. An den engsten Durchtrittsquerschnitt 12 schließt sich eine diffusorartige Erweiterung 13 an.
5

Bildet man nun die diffusorartige Erweiterung so aus, daß der engste Querschnitt 12 mit seiner Fläche A* im Verhältnis zum Austrittsquerschnitt A₂ auf der dem Unterdruckerzeuger zugekehrten Seite ein Verhältnis A*/A₂ < 1 ergibt, stellt sich im engsten Querschnitt bei einem entsprechenden Druckverhältnis, wie in Fig. 4 in einem Diagramm wiedergegeben, eine Strömung mit Schallgeschwindigkeit ein, wenn das äußere kritische Druckverhältnis zwischen dem im Zylinderraum herrschenden größeren Druck P₁ und dem auf der Austrittsseite bestehenden kleineren Druck p₂ eingehalten wird. Das bedeutet aber auch, daß Druckschwankungen auf der Unterdruckseite nicht auf den Druck im Zylinderraum 1 zurückwirken, solange das kritische Druckverhältnis nicht überschritten wird. Dies gilt auch dann, wenn der Boden 5 nicht ebenflächig ausgebildet ist son-0 dern in seiner räumlichen Konturierung einem realen Kolbenboden nachgebildet ist.

Bei Einhaltung des kritischen Druckverhältnisses, d. h. wenn bei allen düsenförmigen Durchtrittsöffnungen im engsten Quer-5 schnitt die Schallgeschwindigkeit eingehalten wird, kann an keiner Stelle mehr Luft einströmen, als durch diese Strömungsbedingungen vorgegeben ist, so daß eine Verzerrung des Strömungsfeldes durch lokale Unterschiede des axialen Strömungskomponenten nicht bewirkt werden und dementsprechend die 0 Ausbildung der Strömung über dem Kolbenboden dem realen Zustand im Brennraum einer Kolbenbrennkraftmaschine weitgehend nachgebildet werden kann.

Um die Ausbildung von "Stromfäden" zu vermeiden, ist der Boden 5, wie in Fig. 3 in einem Teilschnitt dargestellt, am Zylinderraum um eine parallel zur Zylinderachse 9 kreisendrotierbar gelagert. Hierzu ist ein den Abströmkanal 7 umfas-

sendes zentrales Antriebsrad 14 vorgesehen, das mit einem nicht näher dargestellten Antrieb in Verbindung steht, auf dem wenigstens ein Planetenrad 17 drehbar gelagert ist, das mit einer Verzahnung 15 versehen ist. Dem Planetenrad 17 ist an der Wandung des Zylinderraums 1 eine Innenverzahnung 18 zugeordnet. Das Planetenrad 17 ist um seine Mittelachse drehbar auf dem Antriebsrad 14 gelagert und weist einen um das Maß e versetzten Kurbelzapfen 19 auf, der in eine entsprechende Ausnehmung 20 am drehbar gelagerten Boden 5 eingreift.

Wird das Antriebsrad 14 angetrieben, dann überträgt das Planetenrad 17 auf den Boden 5 nicht nur eine Kreisbewegung um die Zylinderachse 9 sondern gleichzeitig eine hierzu überlagerte Kreisbewegung um die Drehachse 17.1 des Planetenrades 17, so daß die Längsachsen der einzelnen Düsen in der Ebene Hypotrochoiden beschreiben. Die Zähnezahlen des Planetenrades 17 und der ein Hohlrad bildenden Verzahnung 18 im Zylinderraum 2 können beispielsweise im Verhältnis zweier Primzahlen aufgeteilt sein.

Zur Untersuchung einer Drallströmung mit einer Anordnung, bei der beispielsweise der Zylinderraum 1 mit nur einem Einlaßkanal versehen ist, der im wesentlichen tangential in bezug auf die Zylinderwandung schräg von oben in den Zylinderraum 1 einmündet, ist der Meßflügel 10 dann so anzuordnen, daß seine Drehachse mit der Zylinderachse 9 zusammenfällt.

Claims (9)

1. Einrichtung zur Untersuchung der Strömungsbewegung eines gasförmigen Mediums in einem dem Brennraum einer Hubkolbenbrennkraftmaschine nachgebildeten Zylinderraum (1), dessen Zylinderdecke (2) wenigstens einen Gaseinlaß (3) mit wenigstens einem einstellbaren Ventilkörper (4) aufweist, dessen Boden (5) mit einer Vielzahl von düsenförmigen Durchtrittsöffnungen (6) versehen ist, die jeweils einen konvergenten Wandungsverlauf aufweisen, wobei der größere Durchtrittsquerschnitt (11) dem Zylinderraum (1) zugekehrt ist, und mit einem Unterdruckerzeuger (8) auf der dem Zylinderraum (1) abgekehrten Seite des Bodens (5), der so ausgelegt ist, daß jeweils im engsten Durchtrittsquerschnitt (12) der düsenförmigen Durchtrittsöffnungen (6) für das durchströmende Gas eine Strömung mit Schallgeschwindigkeit eingestellt werden kann.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die düsenförmigen Durchtrittsöffnungen (6) in Strömungsrichtung gesehen jeweils im Anschluß an den engsten Durchtrittsquerschnitt (12) mit einer diffusorartigen Erweiterung (13) versehen sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Fläche A* des engsten Durchtrittsquerschnittes (12) zur Fläche des Austrittsquerschnitts A, des Diffusorteils (13) dem Verhältnis A*/A₂ < 1 entspricht.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (5) in seinem Abstand zur Zylinderdecke (2) einstellbar ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (5) mit einer parallel zur Achse (9) des Zylinderraumes (1) ausgerichteten Achse um die Achse (9) des Zylinderraumes (1) kreisend-rotierbar gelagert ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Zylinderraum (1) ein um eine quer zur Zylinderachse (9) ausgerichtete Achse drehbarer wenigstens zweiflügeliger Meßflügel (10) angeordnet ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Zylinderraum (1) ein um die Zylinderachse (9) drehbarer wenigstens zweiflügeliger Meßflügel (10) angeordnet ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßflügel (10) ein berührungslos wirkender Meßaufnehmer zur Erfassung der Drehzahl zugeordnet ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßflügel (10) in Spitzenlagern drehbar gelagert ist.