DE2613275A1

DE2613275A1 - Vorrichtung zur untersuchung und abstimmung der drallstroemung in verbrennungsraeumen

Info

Publication number: DE2613275A1
Application number: DE19762613275
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl Ing Doerper; Goetz Dipl Ing Tippelmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-03-27
Filing date: 1976-03-27
Publication date: 1977-10-06
Also published as: DE2613275C2

Description

BLUMBACH . WESER · BERGEN · KRAMER

ZWiRNER - HIRSCH ^b 1327

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 RadeckestraOe 43 Telefon (089) 883603/88360-1 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-136

Dipl.-Ing. Götz Tippelmann

Öhringerstr. 13

Neuenstadt/Kocher

Vorrichtung zur Untersuchung und Abstimmung der Dral I-strömung in Verbrennungsräumen"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Untersuchung und

Abstimmung derDralktrömung in Verbrennungsrcumen von Kolbenmotoren, insbesondere Dieselmotoren und Ottomotoren,

mit einer zylindrischen Kammer,

mit einem dral !erzeugenden Einlaß zu der Kammer, und

mit einer DralI-Meßeinrichtung.

Der Ablauf der Verbrennung in Kolbenmotoren hängt bekanntlich von der guten Durchmischung des Brennstoffes mit der Luft ab, und diese Vermischung ist von der Luftströmung in den Verbrennungsraum abhängig. Es ist seit langem bekannt, daß die Ausbildung eines Dralls im Verbrennungsraum die Durchnischung fördert, jedoch vermindert

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der Drall häufig den Füllungsgrad des Zylinders. Bei dem Entwurf eines Motors ist deshalb die Drallabstimmung bedeutsam, und dies trifft auch für die unterschiedlichen Betriebsbedingungen (Vollast, Teillast, Drehzahl) eines Kolbenmotors zu.

Drallströmungen sind bisher in Verbrennungsräumen aufgrund der Drehgeschwindigkeit eines Anemometers untersucht worden, was jedoch keinen quer zur Strömung richtig integrierten Drallwert ergibt. Es ist auch bereits ein mehr globales Verfahren praktiziert worden, indem der Kolben durch eine Strömungsmaschine ersetzt wurde, welche von der Drallströmung angetrieben wird , so daß der Drall aufgrund des Verhaltens der Strömungsmaschine ermittelt werden kann. Nachteilig an diesem Verfahren ist der Umstand, daß die Form des Verbrennungsraumes durch die Strömungsmaschine und damit auch die zu untersuchende Strömung verändert wird. Das Meßverfahren ist auch deshalb ungenau, weil weg- und geschwindigkeitsabhängige Verluste eintreten, die durch den Umlauf der Strömungsmaschine bedingt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Untersuchung und Abstimmung der Drallströmung in Verbrennungsräumen der

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oberbegrifflichen Art so auszugestalten, daß die Drallströmung störungsfrei gemessen und auf die besonderen Verhältnisse abgestimmt werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der Maßnahmen des Hauptanspruches gelöst. Die Unteransprüche beziehen sich auf Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform,

Fig. 2, 2a, 2b eine abgewandelte Einzelheit,

Fig. 3 eine weitere abgewandelte Einzelheit,

Fig. 4 eine Abwicklung und eine Meßbrücke.

Ein Zylinderkopf 1 weist einen schräggestellten Kanal 2 und ein Einlaßventil 3 auf, welches in üblicher Weise mittels eines Schaftes 4 mehr oder weniger weit geöffnet und geschlossen werden kann. Der zugehörige Ventilsitz 5 gehört einer Zylinderkopfplatte 6 an, die eine Ringnut 6a aufweist, in welche eine Ringrippe la des Zylinderkopfes hineinreicht. Nut und Rippe liegen konzentrisch zur Achse des Ventils 3, 4, dieses jedoch exzentrisch zu einem Zylinderraums 10. Die Einlaßsträmung trifft deshalb schräg auf die Zylinderwand des Raumes 10 auf, wodurch ein Wirbel entsteht. Der Zylinderkopf 1 kann in der Führung la/6a gegenüber der Zylinderkopfplatte 6 zur Veränderung des Dralls der Einlaßströmung gedreht werden.

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Unterhalb der Zylinderkopfplatte 6 erstreckt sich der dem Verbrennungsraum angenäherte Zylinderraum 1O₇ der zur Seite hin von einzelnen Ringspangen 11, 12, 13 und nach unten hin von einer Strömungsgleichrichter-Platte 14 begrenzt wird. Durch Austausch der Ringspangen 11,12 kann die Höhe der zylindrischen Kammer 10 den zu untersuchenden Verhältnissen angepaßt werden. Die StrömungsgleichrichterrPlatte 14 ist oberhalb eines rohrförmigen Gehäuses 15 angeordnet, welches einen ringförmigen Schlitz 15a aufweist, der mit Quecksilber 16 und Öl 17 bis zu einer gewissen Höhe gefüllt ist. Die Strömungsgleichrichter-Platte 14 weist an ihrem Rande eine ringförmige Fahne 18 auf, die in die Flüssigkeiten 16, 17 eintaucht. Das rohrförmige Gehäuse 15 weist ferner eine Strebe 19 auf, an welcher ein Torsionsstab 20 befestigt ist, der die Strömungsgieichrichter-Platte 14 trägt. Die Strömungsgleichrichter-Platte 14 weist eine große Anzahl von Bohrungen auf, die im Hinblick auf die Wanddicke als kurze Kanäle anzusprechen sind und parallel zur Achsrichtung verlaufen. Bei einem Zylinderdurchmesser von 123 mm können etwa 6.000 Bohrungen von 1 mm Durchmesser untergebracht werden, wobei sich ein Versperrungsgrad von ungeführ 65 % ergibt. Bei einem Verhältnis zwischen Durchmesser und Lenge der Kanäle von 1 zu 5 wurde ein ausreichender Strömungsgleichrichtereffekt mit der Strömungsgleichrichterplatte 14 erzielt.

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Der Torsionsstab 20 weist einen dünnwandigen Rohrbereich auf, an welchem sich Dehnungsmeßstreifen 21 bis 24 befinden. Fig. 4 zeigt eine Abwicklung des Torsionsstabes mit den Dehnungsmeßstreifen 21 bis 24, sowie das Schaltschema einer Halbbrücke, gemäß welcher die Dehnungsmeßstreifen geschaltet sind. Aufgrund der Anordnung und Schaltung der Dehnungsmeßstreifen wird Torsion mit größter Empfindlichkeit angezeigt, wohingegen Unempfindlichkeit gegenüber Biegung, Zug und Druck besteht. Das in Fig. 1 dargestellte Kabel 25 führt zu einem Meßinstrument bekannter Art.

Der Betrieb der neuen Vorrichtung geht wie folgt vor sich: Ein bestimmter Luftdurchsatz wird über den Kanal 2 in die zylindrische Kammer 10 geleitet, wobei die Winkelstellung des Kandis 2 relativ zu dem Zylinderraum 10 die Größe des Dralls beeinflußt. Innerhalb der zylindrischen Kammer 10 bildet sich ein Wirbel aus, der auf die Strömungsgleichrichterplatte 14 wandert und seinen Drehimpuls dort abgibt. Das Drehmoment kann praktisch wegelos mittels der Veränderung der Dehnungsmeßstreifen bestimmt werden. Die in die Flüssigkeit 17 tauchende Fahne 18 sorgt für eine Dämpfung von Schwingungen, falls welche auftreten sollten. Das Quecksilber 16 verhindert, daß bei starkem Druckunterschied zwischen der zylindrischen Kammer 10 und dem Raum unterhalb der

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Ströumgsgleichrichterplatte 14 eine Nebenströmung stattfinden kann.

Außer der anhand von Fig. 1 beschriebenen Drehung des Kanals 2 relativ zur Achse der zylindrischen Kammer 10 kann der Drall mittels Einrichtungen gemäß Fig. 2 und 3 verändert werden. Hierzu weist der Einlaßkanal 2 eine schrauben-schneckenförmige Gestaltung auf , und es reichen Blenden in den Kanal 2 hinein. In Fig. 2 ist hierfür eine am Schaft 4 des Ventils 3 drehbar gelagerte Buchse 30 mit Sekforenblende vorgesehen, während in Fig. 3 ein seitlicher Schieber 35 in den Kanal 2 mehr oder weniger weit hineinreicht. Fig. 2a stellt eine schematische Ansicht von oben und Fig. 2b eine Abwicklung des Kanalumfanges dar. In der Stellung 31'wirkt die Sektorenblende als Dralldrossel und in der Stellung 31 " als Drallverschärfer. Die Sektorenblende 31 kann auch ganz aus dem Kanal 2 geschwenkt werden (Stellung 3T"in Fig. 2). Fig. 3 stellt ebenfalls eine schematische Ansicht von oben dar, wobei die extremen Schieberstellungen mit 35'und 35"markiert sind. Auch andere Einrichtungen zur Beeinflussung des Dralls sind anwendbar, beispielsweise ein am Ventil 3 angebrachter Schirm. Mit diesen Einrichtungen läßt sich der Drall der zugeführten Luft oder gegebenenfalls auch der Ladung verändern und damit auf einen gewünschten Wert bringen.

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Der oben in seiner Funktion näher beschriebene Zylinderkopf 1 wird auf den Zylinder eines Versuchsniotors aufgesetzt. Während des Versuchslaufs ist es nun leicht möglich, die Drallerzeugung durch Veränderung der Winkelstellung des Kanals 2 zur zylindrischen Kammer 10 und durch Veränderung der Blende 31 bzw. 35 so zu verändern, daß die Verbrennung optimal abläuft, gemessen an den jeweils im Vordergrund stehenden Kriterien wie z.B. maximale Leistung, Abgaszusammensetzung etc. Die hierbei festgelegte optimale Drallkanaleinstellung wird anschließend auf der oben beschriebenen Einrichtung vermessen und die hierbei ermittelte Drallerzeugung auf die Serienausführung des Zylinderkopfs übertragen.

Die in den Fig. 1-3 dargestellten Zylinderköpfe dienen also dazu, sich an die gewünschte Serienausführung des Zylinderkopfes heranzutasten. Es versteht sich, daß auf die Meßeinrichtung 10-25 auch ein weitgehend perfektes Modell der Serienausführung aufgesetzt werden kann, um zu überprüfen, ob die als optimal ermittelte Dralleinstellung tatsächlich erzielt wird.

Zur Untersuchung von Teilbereichen des Verbrennungsraumes hinsichtlich von Drallströmen ist es ferner möglich, die Ströraungsgleichrichterplatte 14 aufzuteilen und jedes Teil-

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stück mit einem separaten Torsionsstab zu stützen, der wieder die Dehnungsmeßstreifen 21 - 24 trägt. Auf diese Yfeise kann beispielsweise die Drallströmung im mittleren Bereich gegenüber dem Rand.bereich des Verbrennungsraumes abgegrenzt gemessen werden. Hierbei wird die praktische ¥egelosigkeit des neuen Meßverfahrens und der Umstand ausgenutzt, daß die Drehmomentmessung unabhärg.g von der Anschlagstelle des Torsionsstabes an dem zugehörigen Teilstück der Gleichrichterplatte ist.

Für spezielle Untersuchungen ist es auch möglich, die Gleichrichterplatte 14 als oberster Teil eines Kolbens auszubilden. Y/enn ein "teonders niedriger Versperrungsgrad der Strömungsgleichrichterplatte 14 erwünscht ist, wird ein Wabengitter benutzt.

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Al

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Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAIV-ER PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Postadresse München. Potenlconsult 8 München 60 RadeckestraSe 43 Telefon (089) 833603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 PAT E NT ANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Untersuchung und Abstimmung der Drallströmung in Verbrennungsräumen von Kolbenmotoren, insbesondere Dieselmotoren und Ottomotoren,
mit einer zylindrischen Kammer,

mit einem drallerzeugenden Einlaß zu der Kammer und mit einer Drall-Meßeinrichtung,
dadurch gekennzeichnet,

daß die zylindrische Kammer (10) von einer Strömungsgleichrichter-Platte (14) abgeschlossen ist, welche dem Kolben des Motors entspricht, so daß der Verbrennungsraum nachgebildet ist, und daß die Strömungsgleichrichterplatte (14) an einer Krafrmsß-Finrichtung (20 - 25) befestigt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet.

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daß die Kraftmeß-Einrichtung (20 - 25) als Torsionsstab (20) mit aufgebrachten Dehnungsmeßstreifen (21 - 24) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, oaß die Strömungsgleichrichter-Platte (14) als Lochplatte mit kurzen, zur Achsrichtung parallelen Kanälen ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgleichrichter-Platte (14) schwingungsgedämpft gelagert ist.

5·. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur schwingungsgedämpften Lagerung der Rand der StrömungigIeichrichter-Platte (14) mindestens eine Fahne (18) aufweist, welche in eine angepaßte Flüssigkeit (17) eintaucht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Fahne (18) ringförmig ausgebildet ist und ols Dä.-npfu igiflüssigkeit (17) Öi verwendet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der zylindrischen Ka.-nmer (10) aus Ringspangen (11, 12, 13) aufgebaut ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß der diaI!erzeugende Einlaß eine drehbare Sektorenblende (31) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der draI!erzeugende Einlaß einen oder mehrere, seitlich in den Strömungsv/eg zustellbare Schirmblenden (35) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, daß der drallerzeugende Einlaß einen zur Ventilachse drehbaren Einiaßkanal (2) aufweist.

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11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgleichrichterplatte (14) in zwei oder mehrere Teilstücke aufgeteilt ist, die jeweils unabhängig voneinander an einer Kraftmeß-Einrichtung (20 - 25) befestigt sind.

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