DE10063045A1

DE10063045A1 - Verfahren zur Erfassung einer Tumble-Strömung in einem Zylinderraum einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10063045A1
Application number: DE10063045A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Glanz; Franz Hoedl
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 1999-12-23
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2001-07-12
Anticipated expiration: 2020-12-19
Also published as: US6385530B1; DE10063045C2; US20020035867A1; AT4097U1

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. DOLLAR A 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 ω_FK der Tumble-Bewegung und der Win kelgeschwindigkeit ω_Mot, der Brennkraftmaschine bestimmt wird.

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 Kolbenatt rappe verschlossen und außerdem die Luft seitwärts im Bereich der Drehflügel achse abgesaugt. Durch das asymmetrische Auftreffen des Luftstrahles auf die Kolbenattrappe 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 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 ermittelt wird. Dazu wird vor zugsweise gemäß der Gleichung

w_i = w_LDA - w,

ein reduziertes Strömungsfeld w_i ermittelt, wobei w die mittlere axiale Strö mungsgeschwindigkeit des Strömungsfeldes w_LDA ist. Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn der Tumble-Kennwert auf Grund der Winkelgeschwin digkeit ω_i für jeden Messpunkt i gemäß der Gleichung

berechnet wird, wobei r_i der Abstand des Messpunktes i von der Mittelachse des Zylinderraumes ist. Jedem Messpunkt i wird dabei vorzugsweise ein Flächenele ment f_i zugeordnet und die Winkelgeschwindigkeit der Tumble-Bewegung ω_FK gemäß der Gleichung

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 La ser-Doppler-Anemometrie verwendet wird, wobei in einer Messebene normal zur Achse des Zylinderraumes gemessen wird. Das Messvolumen eines Laser-Dopp ler-Anemometrie-Systems wird durch viele Punkte in einer Messebene in einem Abstand vom Zylinderkopfboden bewegt, welcher dem halben Bohrungsdurch messer des Zylinderraumes entspricht. Dadurch wird das axiale Strömungsfeld erfasst. Um Messergebnisse mit hoher Aussagekraft zu erhalten, ist es vorteil haft, wenn in der Messebene mindestens 200 Messpunkte 1 in gleichen Abständen 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 f_i in einem hexagonalen Git ter angeordnet sind. Durch das hexagonale Gitter ist gewährleistet, dass die Flä chenelemente f_i alle gleich sind.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch

Fig. 1 den prinzipiellen Messaufbau am Strömungsprüfstand,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Zylinderraum mit der berechneten Tumble-Strömung und

Fig. 3 einen Querschnitt durch den Zylinderraum mit eingetragenem Strö mungsfeld.

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-Dopp ler-Anemometrie-Systems LDA wird durch viele Messpunkte i in einer Messebene 2 in einem Abstand 3 vom Zylinderkopfboden 4 bewegt, welcher dem halben Bohrungsdurchmesser D des Zylinderraumes 5 entspricht. Über einem Glaszylin der 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-Anemo metrie LDA gemessenen Strömungsfeld w_LDA wird ein Tumble-Kennwert ω_FK durch ω_Mot berechnet. Zunächst wird aus dem Strömungsfeld w_LDA, also den ge messenen axialen Geschwindigkeiten in Richtung der Längsachse 10 des Zylin derraumes 5, eine mittlere axiale Strömungsgeschwindigkeit w berechnet. Durch Reduktion des Strömungsfeldes w_LDA um die mittlere Geschwindigkeit w folgt das reduzierte, quasi-rotierende Strömungsfeld w_i 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:

w_i = w_LDA - w. (1)

Aus diesem reduzierten Strömungsfeld w_i berechnet sich die Winkelgeschwindig keit ω_i in jedem Messpunkt i wie folgt:

wobei r_i der Abstand des Messpunktes i von der Tumble-Achse 11 ist.

Ist jedem Messpunkt i das Flächenelement f_i zugeordnet, so ergibt sich die Win kelgeschwindigkeit ω_FK der gesamten Tumble-Bewegung durch die Gleichung

Daraus kann der Tumble-Kennwert wie folgt berechnet werden:

wobei ω_Mot 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:

Fig. 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 f_i alle gleich sind. Die Richtung und Größe der Winkelgeschwindigkei ten ω_i in jedem Flächenelement f_i 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 f_i wiederge geben ist. Das in Fig. 3 dargestellte berechnete Strömungsprofil entspricht der in Fig. 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

1. Verfahren zur Erfassung einer Tumble-Strömung in einem Zylinderraum einer Brennkraftmaschine, wobei ein Tumble-Kennwert als Quotient aus der Winkelgeschwindigkeit ω_FK der Tumble-Bewegung und der Winkelge schwindigkeit ω_Mot der Brennkraftmaschine bestimmt wird, dadurch ge kennzeichnet, dass die Asymmetrie eines Strömungsfeldes w_LDA im Zy linderraum 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.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tumble- Kennwert auf Grund eines reduzierten Strömungsfeldes w_i gemäß der Gleichung
w_i = w_LDA - w
ermittelt wird, wobei w die mittlere axiale Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsfeldes w_LDA ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tumble-Kennwert auf Grund der Winkelgeschwindigkeiten ω_i für mehrere Messpunkte i gemäß der Gleichung
ermittelt wird, wobei r_i 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_i zugeordnet wird und dass die Winkelgeschwindigkeit ω_FK der Tumble-Bewegung auf Grund einer über alle Messpunkte i gewichteten Mittelung der Winkelgeschwindigkeiten ω_i bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Win kelgeschwindigkeit der Tumble-Bewegung ω_FK gemäß der Gleichung
berechnet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als differentielle Messmethode die Laser-Doppler-Anemometrie verwendet wird, wobei in einer Messebene normal zur Mittelachse des Zylin derraumes gemessen wird.

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 Abstän den voneinander angeordnet werden.

9. Ver fahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jedem Messpunkt i zugeordneten Flächenelemente f_i in einem he xagonalen Gitter angeordnet sind.