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Technischer Hintergrund
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Die vorliegende Erfindung gehört zum Bereich der Motorentechnik. Sie betrifft einen Prüfstand der stationären Strömung für Motor-Ansaugsystem. Die Funktion der Erfindung ist, die Fähigkeit des Motoransaugsystems, Drehströmung im Zylinder zu erzeugen, sowie die Effizienz der Luftversorgung des Motorsaugsystems zu messen.
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Technischer Hintergrund
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Ein Motoransaugsystem umfasst hauptsächlich eine Lufteinlassleitung, eine Brennkammer, ein Lufteinlassventil, sowie Steuerungsteile für die Bewegung des Lufteinlassventils. Die Leistung eines Motoransaugsystems hat hauptsächlich zwei Merkmale: das eine ist die Fähigkeit, im Zylinder Drehströmung zu erzeugen, das andere ist die Effizienz der Luftversorgung. Die Effizienz der Luftversorgung betrifft die Proportion der über das Motoransaugsystem eingeleiteten Luft zum Abgas des Zylinders, sie beschreibt die Durchlauffähigkeit des Motoransaugsystems. Die Effizienz der Luftversorgung wird dadurch beeinflusst, dass die Luft die Einlassleitung, das Lufteinlassventil, die Brennkammer durchlaufen muss und unterwegs viele Widerstände erfährt. Niedrigere Effizienz der Luftversorgung bedeutet niedrigere Ausgangsleistung des Motors.
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Das Motoransaugsystem kann die Luftzufuhr so gestalten, dass sich die Luftströmung auf eine bestimmte Art dreht, um die Brenngeschwindigkeit und die Wärmeabgabe zu steigern. Die Drehbewegung der Luftströmung wird hauptsächlich durch die geometrische Gestaltung der Lufteinlassleitung, der Brennkammer und des Lufteinlassventils erreicht.
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Es gibt bekanntlich zwei Arten von Drehbewegung der Luftströmung: Wirbelströmung und Tumbleströmung. Die
1A und
1B zeigen eine schematische Darstellung der Wirbel- und Tumbleströmung im Zylinder. Sie haben verschiedenen Einfluss auf den Brennprozess im Motor. Theorie und Praxis haben gezeigt, dass eine gemischte Drehbewegung aus Wirbel und Tumble, also die sog. Schräg-Achse-Wirbelströmung den besten Einfluss auf den Brennprozess des Motors hat. Die Stärke der Drehbewegung der Luftströmung wird als Wirbelquote oder Tumblequote r genannt:
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In der Formel bedeutet r die Wirbelquote oder Tumblequote. ωs bedeutet die Drehgeschwindigkeit des Wirbels oder des Tumbles. ωe bedeutet Motordrehzahl.
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Der Prozess der Luftzufuhr für Motoren ist in der Regel instationär (ändert sich ständig mit der Zeit). Die oben genannten Parameter werden jedoch in der Regel im stationären Zustand der Strömung gemessen. Während des Messsvorgangs wird das Lufteinlassventil bei verschiedenen Positionen im Rahmen des Ventilhubs fixiert, um den Zustand der quasi-stationären Strömung zu erreichen. Und bei jeder geöffneten Position des Lufteinlassventils im Rahmen des Ventilhubs werden die Lufteinlassmenge und die Drehgeschwindigkeit des Wirbels oder des Tumbles gemessen. Die unter dem quasi-stationären Zustand gewonnenen Messergebnisse werden dann integral berechnet, um die Fähigkeit des Motoransaugsystems, Drehströmung im Zylinder zu erzeugen, sowie die Effizienz der Luftversorgung des Motorsaugsystems zu ermitteln. Solcher Prüfstand wird Prüfstand der stationären Strömung für Motoransaugsystem genannt. Im Stand der Technik gibt es Prüfstände der stationären Strömung, die nur auf Wirbelströmung oder nur auf Tumbleströmung spezialisiert sind. Wirbelströmung und Tumbleströmung haben jedoch großen Unterschied. Ein Prüfstand soll jedoch in der Lage sein, für beide Arten von Drehströmungen eingesetzt werden zu können. Ferner muss der Prüfstand auch in der Lage sein, die Effizienz der Luftversorgung der Motoren zu messen.
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Inhalt der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt einen Prüfstand der stationären Strömung für Motoransaugsystem, umfasst einen simulierten Zylinder, einen Auspuff für Wirbelströmung, einen Auspuff für Tumbleströmung, zwei Schalensternanemometer, zwei Tachometer, einen Manometer, einen Durchflussmesser, eine Abgasleitung, eine Dämpfungskammer, eine sekundäre Dämpfungskammer. Die Teile sind wie folgt verbunden:
Der simulierte Zylinder ist mit dem Auspuff für Wirbelströmung und dem Auspuff für Tumbleströmung verbunden;
In jedem Auspuff befindet sich ein Schalensternanemometer:
Beide Auspuffe sind auch mit einer sekundären Dämpfungskammer verbunden; die sekundäre Dämpfungskammer ist mit der Abgasleitung verbunden;
auf der äußeren Wand der Abgasleitung ist ein Manometer und ein Durchflussmesser angebracht;
die Abgasleitung führt weiter zu einer anderen Dämpfungskammer.
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Der Prüfstand kann gleichzeitig Wirbelströmung und Tumbleströmung im Zylinder messen, ferner auch die Effizienz der Luftversorgung des Motoansaugsystems messen. Er ist von einfacher Struktur, leicht zu handhaben und zu warten. Er kann sowohl in Entwicklungsarbeiten für neue Lufteinlassleitungen, Lufteinlassventile und Brennkammern eingesetzt werden, als auch im Herstellungsprozess die Leistungsmerkmale des Motoransaugsystems messen.
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Erläuterungen der Zeichnungen:
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Darin zeigen
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1A eine schematische Darstellung der Wirbelströmung im Zylinder,
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1B eine schematische Darstellung der Tumbleströmung im Zylinder,
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2 das Anordnungsschema der Teile des erfindungsgemäßen Prüfstandes in einem Ausführungsbeispiel,
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3 das Anordnungsschema der Teile des erfindungsgemäßen Prüfstandes in einem Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsbeispiel
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2 zeigt das Anordnungsschema der Teile des erfindungsgemäßen Prüfstandes in einem Ausführungsbeispiel. Um die Bewegungen der Wirbel- bzw. Tumbleströmung zu messen, wird ein Schalensternanemometer 2 im Auspuff für Wirbelströmung 3 eingesetzt, um die Bewegungsrichtung der Wirbelströmung 7 zu messen. Gleichfalls wird ein zweites Schalensternanemometer 10 in dem querlegenden Auspuff für Tumbleströmung 9 eingesetzt, um die Bewegungsrichtung der Tumbleströmung 7 zu messen. Während des Messvorgangs ändern sich sowohl die Positionen als auch die Stärke der Wirbelbzw. Tumbleströmung ständig. Daher widerspiegeln die Schalensternanemometer 2 und 10 nur den Erregungszustand der meisten Strömungen im Zylinder an einer bestimmten Position. Der Auspuff für Wirbelströmung 3 und der Auspuff für Tumbleströmung 9 werden beide an eine sekundäre Dämpfungskammer 1 angeschlossen, die ihrerseits mit einer Abgasleitung 15 verbunden ist. Auf der äußeren Wand der Abgasleitung 15 sind ein Manometer 11 und ein Durchflussmesser 12 angebracht. Die Abgasleitung 15 ist ferner mit einer anderen Dämpfungskammer 14 verbunden.
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Beim Messvorgang wird im Rahmen eines jeden Ventilhubs das Gebläse 13 angemacht, um Luft anzusaugen. Durch die Regulierung der Gebläse 13 wird die Druckdifferenz ΔP im Manometer 11 zu einem bestimmten Wert gemacht. Der Wert des Durchflusses wird am Durchflussmesser 12 abgelesen. An den Tachometern 4 und 8 können die Drehzahlen der Schalensternanemometer 2 und 10 abgelesen werden. Damit kann man die Wirbelquote bzw. Tumblequote R, sowie die Effizienz der Luftversorgung Cf errechnen.
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Die Arbeitsprinzipien des erfindungsgemäßen Prüfstandes sind wie folgt:
Die Wirbelquote bzw. Tumblequote auf dem Prüfstand der stationären Strömung wird in der folgenden Formel definiert:
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Dabei bedeutet Ns(θ) die Drehzahl eines Schalensternanemometers unter einem bestimmten Ventilhub. Die Dimension ist Drehzahl/Munute; Qs(θ) bedeutet die Durchflussmenge unter einem bestimmten Ventilhub, die Dimension ist M3/Sekunde; θ bedeutet den Drehwinkel der Kurbelwelle des Motors, kann auch als die Größe des Ventilhubs angesehen werden. Vh bedeutet Hubraum des Zylinders.
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Die Effizienz der Luftversorgung des Motoransaugsystems wird in der folgenden Formel definiert:
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Dabei bedeutet V
0 die theoretische Lufteinlassgeschwindigkeit, also
und die Dimension ist M/Sekunde; Δp ist die Druckdifferenz im Durchflussmesser; A bedeutet die Flächengröße des Lufteinlassventils. Die Leistungsmerkmale des Motoransaugsystems werden dadurch ermittelt, dass die Wirbelquote, die Tumblequote sowie die Effizienz der Luftversorgung miteinander integral berechnet werden. Dadurch kann man die Durchschnittswirbelquote, die Durchschnittstumblequote und die Durchschnittseffizienz der Luftversorgung errechnen.
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Die Durchschnittswirbelquote bzw. die Durchschnittstumblequote wird in der folgenden Formel definiert:
Unter Berücksichtigung des Kompressionsverhältnisses sowie des Einflusses der Effizienz der Luftversorgung sehen die korrigierte Durchschnittswirbelquote bzw. die Durchschnittstumblequote wie in der folgenden Formel aus:
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Die Durchschnittseffizienz der Luftversorgung wird in der folgenden Formel definiert:
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Im Folgenden wird noch ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben. Wie in 3 gezeigt, hat der simulierte Zylinder 6 dünne Wände und einen Zylinderdeckel 21. Auf dem Zylinderdeckel wird ein Lokalisierungssystem 22 angebracht, dessen Zweck darin besteht, den Zylinderdeckel 21 und den simulierten Zylinder 6 richtig aufeinander zu positionieren. Um die Wirbelströmung bzw. Tumbleströmung zu messen, wird ein erster Schalensternanemometer 2 im Auspuff für Wirbelströmung 3, und ein zweiter Schalensternanemometer 10 im Auspuff für Tumbleströmung 9 eingesetzt. Beide Auspuffe haben zylindrische Form und dünne Wände. Ihr Durchmesser beträgt 2/3 von dem des simulierten Zylinders 6. Der Auspuff für Wirbelströmung 3 befindet sich unter dem simulierten Zylinder 6. Der Auspuff für Tumbleströmung 9 ist seitlich an der unteren Hälfte des simulierten Zylinders 6 angeschlossen, wobei ihre Achsen senkrecht zueinander liegen. Die Funktion des Auspuffs für Tumbleströmung 9 ist, die Tumblebewegungen der Luftströmung am Ende des Luftzufuhrprozesses zu messen. Die in den Auspuffen angebrachten Schalensternanemometer 2 und 10 werden von der Luftströmung zum Drehen bewegt. An den Auspuffen 3 und 9 sind kleine Quarzfenster 23 angebracht. Die Tachometer 4 und 8 besitzen photoelektrische Messer, die durch die Quarzfenster 23 auf die Schalensternanemometer 2 und 10 gerichtet sind. Die Sensoren an den Schalensternanemometer 2 und 10 übertragen die Drehzahlen auf die photoelektrischen Messer, damit die Tachometer 4 und 8 die Drehzahlen aufzeichnen können.
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Der Auspuff für Wirbelströmung 3 ist an eine sekundäre Dämpfungskammer 1 angeschlossen. Über ein Verbindungsrohr 24 ist der Auspuff für Tumbleströmung ebenfalls an die sekundäre Dämpfungskammer 14 angeschlossen. Die sekundäre Dämpfungskammer 1 hat eine Quaderform und hohlen Innenraum. Ihr Zweck ist, die Impulse der eingeflossenen Luftströmung abzuschwächen. Die sekundäre Dämpfungskammer 1 ist an eine Abgasleitung 15 angeschlossen, die zylindrische Form und dünne Wand hat. Auf der Wand der Abgasleitung sind Manometer 11 und Durchflussmesser 12 angeschlossen. Es kann sowohl Blenden-Durchflussmesser als auch Vortex-Durchflussmesser sein. Die Abgasleitung 15 ist weiter an die Dämpfungskammer 14 angeschlossen, die auch quaderförmig ist und einen hohlen Innenraum hat. Oben auf der Dämpfungskammer 14 ist das Gebläse 13 angeschlossen. Die Funktion der Dämpfungskammer 14 ist, die vom Gebläse 13 erzeugten Luftimpulse abzuschwächen, damit der Messvorgang im Zustand der stationären Luftströmung erfolgt.
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Beim Messvorgang wird zunächst die Position des Lufteinlassventils 19 fixiert. Dann wird im Rahmen eines jeden Ventilhubs das Gebläse 13 angemacht, um Luft anzusaugen. Die Luft fließt durch die Lufteinlassleitung 20 in den simulierten Zylinder 6. Durch die Regulierung des Gebläses 13 wird die Lufteinlassmenge reguliert und die Druckdifferenz ΔP im Manometer 11 zu einem bestimmten Wert gemacht. Der Wert des Durchflusses wird am Durchflussmesser 12 abgelesen. An den Tachometern 4 und 8 können die Drehzahlen der Schalensternanemometer 2 und 10 abgelesen werden. Dann kann man nach den oben genannten Formeln (4) und (5) die Wirbelquote bzw. Tumblequote R, sowie die Effizienz der Luftversorgung Cf errechnen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- sekundäre Dämpfungskammer
- 2
- erster Schalensternanemometer
- 3
- Auspuff für Wirbelströmung
- 4
- erster Tachometer
- 5
- Bewegungsrichtung des Wirbels
- 6
- simulierter Zylinder
- 7
- Bewegungsrichtung des Tumbles
- 8
- zweiter Tachometer
- 9
- Auspuff für Tumbleströmung
- 10
- zweiter Schalensternanemometer
- 11
- Manometer
- 12
- Durchflussmesser
- 13
- Gebläse
- 14
- Dämpfungskammer
- 15
- Abgasleitung
- 16
- Kolbenstange
- 17
- Zylinder
- 18
- Luftauslassventil
- 19
- Lufteinlassventil
- 20
- Lufteinlassleitung
- 21
- Zylinderdeckel
- 22
- Lokalisierungssystem für Zylinderdeckel
- 23
- Quarzfenster
- 24
- Verbindungsrohr
