JP2007501935A - 燃焼エンジンの排気流動をシミュレーションするための試験台 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、燃焼エンジンの排気流動をシミュレーションするための試験台に関し、この試験台が、
− シリンダー３６、並びに、シリンダーヘッドとして形成された基体３９を有しており、
この基体内において、燃焼室を複製、即ち模擬するための、少なくとも１つの、ガス給排気弁４３、４４によって監視された排気管路４１、４２、および、凹部即ち球冠部４０が設けられており、その際、このガス給排気弁４３、４４が、可変の弁往復行程切り替えを用いて操作可能であり、
− この弁往復行程切り替えのための制御装置を有しており、
− 圧縮空気でもって、このシリンダー３６を充填するための装置を有している。

Description

本発明は、請求項１の特徴に従う、燃焼エンジンの排気流動をシミュレーションするための試験台に関する。

４サイクルエンジンの出力特性は、著しい度合いで、ガス給排気の品質の良さによって決定される。燃焼エンジンの場合、排気弁が、実際的に、常にシリンダーを臨界超過の圧力差の際に開放するので、流動過程は、ガス交換サイクル管路（Ladungswechselkanaelen）内において、強度に非定常である。ピストンの下死点位置への到達の前のこの排気弁の開放の際に、予排気衝撃（Vorauslassstoss）、即ち、臨界超過の圧力差を有する噴出過程（Ausstroemvorgang）が形成される。燃焼エンジンの排気弁によって監視された（ueberwachte）排気管路は、不完全に構成されたラバルノズルとみなされ得るので、非定常な流動諸条件に基づいて、常に垂直方向の圧縮衝撃の形成を誘起する、流過不連続性の状態となる。この垂直方向の圧縮衝撃によって、この流動は、即座に亜音速へと減速され、従って、排気ガス質量流量は、強度に減少する。更に、この予排気衝撃によって、相応する圧力変動を誘起する空気力学上の騒音が形成される。特にこの予排気衝撃の際の、前記の不十分性を防止するために、ガス交換サイクル過程（Gaswechselladungsvorgaenge）の改良に関しての多数の検査が実施されてきた。

従って、例えば、ＭＴＺ（非特許文献１）において、排気ガスの空気力学上の亜音速流動のため、および弁の形状賦与状態のための、計算方法、およびプログラムが開発されている。その際、目的は、排気管路、もしくは弁の幾何学的形状を、算出されたシステムが、衝撃および脈動無しに作動するように形成することである。その際、流動を燃焼ガスの噴出速度の低下によって改良するという可能性も注視される。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６ ０１ ５８７号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５ ２８ ５０５号明細書 ＭＴＺ（Motor Technische Zeitschrift 51, 1990年, 7/8号, 336頁から343頁まで）

ガス交換サイクル過程（Gaswechselvorgaengen）の際の、先に説明された非定常な流動過程を、より良く理解、もしくは検査することを可能にするために、本発明の課題は、
一方では、現実内において行われる噴出過程を種々の管路モデルに基づいて模擬することが可能な状態にあり、且つその際に再現可能な結果を提供し、
および他方では、簡単な構造上の変換のために、標準規格構造部材を備え付けられている、
試験台を発展させることである。

この課題は、請求項１に提示された、試験台の特徴によって解決される。

本発明による試験台でもって、簡単な構造およびやり方で、排気流動過程がシミュレートされ、これら排気流動過程の結果は、管路排気流動過程、もしくは弁排気流動過程、および弁座の幾何学的形状の変換の際に援用される。

従属請求項に記載された特徴、および更なる構成によって、試験台の有利な構成は可能である。

種々の排気管路形状、並びに、排気弁および弁座リングの幾何学的な形状を検査するために、シリンダーヘッドは、基体を有しており、この基体内に、排気管路、および、凹部即ち球冠部が、燃焼室を形成するために一体にまとめられている。

シリンダーヘッドの基体に、ハウジングが固定されており、このハウジング内において、切り替え可能なタペットが収容されており、これらタペットが、このハウジングの上に、もしくは沿って、固定されたカムシャフトによって操作可能である。切り替え可能な弁駆動装置は、このタペットの内側の往復ピストンが、ゼロの往復行程の変換のために、このカムシャフトの円直径と協働し、これに対して、このタペットの外側の往復ピストンが、弁往復行程の変換のために、このカムシャフトのカムと協働するように構成されている。この切り替え可能な可能な弁駆動装置でもって、所望された噴出過程が、予備選択された、もしくは所望された作動点に関してシミュレートされる。

タペットの内側および外側の往復ピストンは、液圧的に操作可能なロックユニットを介して、切り替え可能、もしくは互いにロック可能である。液圧システムのオイル圧供給のために、この目的で、モータによって駆動されるオイルポンプが設けられている。この液圧的な弁クリアランス調整、並びに弁往復行程切り替え用の、オイル圧供給のための液圧システムは、このモータを有するオイルポンプと同時に、圧力制限弁、オイルタンク、オイルフィルター、並びに切替弁を有している。このカムシャフトを駆動するために、試験台は、駆動用歯付きベルトを介してこのカムシャフトを駆動する、電気モータを有している。今日的な高出力モータのために必要な回転数を模擬可能とするために、この電気モータは、周波数変換器によって制御される。この周波数変換器を用いて、三相交流モータの回転数は、２５０〜８０００Ｕ／ｍｉｎの範囲内において制御される。

流動試験台において、種々の排気管の幾何学的形状、排気弁の幾何学的形状、および弁座リングの幾何学的形状を、ガス動力学的に、および音響的に検査可能とするために、多数にセンサー、およびマイクロホンが設けられている。
その際、シリンダー、および排気管路内において、一つまたは多数の圧力センサー、および温度センサーが設けられており、これに対して、
この排気管路内において、多数の位置に分配された状態で、音圧測定のためのマイクロホンが設けられている。

以下の説明および図でもって、本発明の実施例を詳しく説明する。

図１に図示されている試験台は、矩形のケーシング２から成っており、このケーシングが、下側の、および上側のベースプレート４および６を有しており、これら両方のベースプレートが、４つの隅形材８を介して、相互に離間されている。この下側のベースプレート４の上に、電気モータ１０が固定されており、この電気モータは、後に更に詳しく説明されるカムシャフト１２の駆動のために設けられている。この電気モータ１０は、例えば上側のベースプレート６上に固定された配電盤ボックス（図示されていない）内に収容されている周波数変換器を用いて制御される。この下側のベースプレート４に、更に２つの保持アングル部材１４および１５を介して、中間プレート１６が固定されており、この中間プレートは、上側のベースプレート６に至るまで延在し、且つこの上側のベースプレートにおいて、同様に固定されている。図４に図示されているように、この中間プレート１６内に開口部１７が設けられており、この開口部内において、２つの深溝玉軸受１８および１９を介して、中間軸２０が回転可能に軸受けされている。この中間プレート１６の両側に、この中間軸２０の上で、それぞれ１つのベルトプーリホイール２１、および２２が差し込まれており、且つ、六角ボルト２３、および六角ナット２４によって軸線方向に固定されている。この電気モータ１０の駆動軸上に、同様に、ベルトプーリホイール２５が固定されており、その際、この電気モータ１０のベルトプーリホイール２５と、この中間軸２０のベルトプーリホイール２１との間に、駆動用歯付きベルト２６が敷設されている。下側のベースプレート４の上に、更に、モータによって駆動されるオイルポンプ２７が固定されており、このオイルポンプは、例えば、後に詳細に説明する、切替可能な弁駆動装置のオイル圧力供給のために設けられている。

上側のベースプレート６に、図３から見て取れるように、オイルタンク２８が固定されており、このオイルタンクは、矩形のフランジ面２９を有しており、このフランジ面が、このベースプレート６に対して封隙されている。この上側のベースプレート６内において、更に、第１の円形開口部３０が形成されており、この円形開口部内において、オイル循環回路内において一体にまとめられたオイルフィルター３１が差し込まれている。このオイルフィルター３１は、オイルフィルターブロック３２に固定されており、このオイルフィルターブロックが、構造ユニットとして、切替弁３３を収容する切替弁ブロック３４と統合されている。この上側のベースプレート６内において、第２の円形開口部３５が形成されており、この円形開口部を通って、シリンダー３６が貫通案内されている。このシリンダー３６の底部側の端面３７内において、弁３８が設けられており、この弁は、圧縮空気でもってのこのシリンダー３６の充填に使用される。つぼ形に形成されたこのシリンダー３６は、上方に開いており、且つ、基体３９に対して封隙されている。図６および７から見て取れるように、この基体３９内において、燃焼室を複製、即ち模擬するための球冠部４０、並びに、この球冠部４０と結合状態にある排気管路４１および４２が一体にまとめられている。これら両方の排気管路４１、４２は、その際、２つの排気弁４３および４４によって制御、もしくは監視される。この基体３９と、タペットハウジング４５が接続しており、このタペットハウジング内において、２つの、カムフォローワとして形成されたタペット４６および４７が案内されている。

図８および９に図示されているように、タペット４６、４７は、２つの、同心的に互いに配設された、以下で外側の往復ピストン４８および内側の往復ピストン４９と称される、皿状部材を有しており、これら皿状部材が、それぞれに、異なるカム（部分カム）５０から５２まで、もしくは５０′から５２′までと協働する。これらカム５０、５２、および５０′および５２′は、お互いの間で同じに形成されており、即ち、これらカムが、同じ往復行程高さ、および位相状態を有し、且つ、この外側の往復ピストン４８と協働する。これら両方のカム５０、５２、および５０′および５２′の間に形成されたカムシャフト領域５１もしくは５１′は、それに対して、ある円直径を備えており、この円直径が、この内側の往復ピストン４９との協働作用の際にカムシャフト１２の回転状態に依存せずに、その場合に排気弁４３および４４が開放されない、ゼロの往復行程（Nullhub）が発生されるように形成されている。これら両方の往復ピストン４８、４９は、これらピストンの底部領域内において、穿孔５３を有しており、この穿孔が、部分カム５０から５２まで、もしくは５０′から５２′の基礎円位相において、互いに一直線に並び、従って、外側の往復ピストンが内側の往復ピストン４８、４９と共に、この穿孔５３内において長手方向に摺動可能なピストン部材５４、５５によって、この位置においてロック可能である。これらピストン部材５４、５５の摺動、および従って、ロックは液圧的に行われ；および、この目的のために、開口部５６を介して、このピストン部材５５の端面を、液圧オイルでもって付勢される。このロック機構について、より詳細には立ち入らず；および、このロック機構は、例えば、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６ ０１ ５８７号明細書（特許文献１）、または、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５ ２８ ５０５号明細書（特許文献２）において、比較的に詳細に説明されている。

第１の作動位置、もしくは切替位置において、この外側、および内側の往復ピストン４８、および４９が、ピストン部材５４、５５を介して互いにロックされている場合、外側のカム領域５０、および５２、もしくは５０′および５２′を介して、適当な弁往復行程は、排気弁４３および４４に対して伝達される。液圧的な導管内において設けられた（後に更に詳細に説明される）制御弁の操作、もしくは切り替えによって、ピストン５５に対して作用される圧力は遮断され、もしくは、これらばね負荷されたピストン５４、５５が、これらピストンのロックされた作動位置から、導き戻される程度に低減され、従って、これら両方の往復ピストン４８、４９は、再び自由に移動可能に互いに設けられている。
既に詳しく述べたように、円直径として形成された部分カム５１、もしくは５１′に基づいて、この作動状態内において、如何なる往復行程も、これら排気弁４３および４４に対して伝達されない。

カムシャフト１２の左側の端面側（図２に従う図示に関して）において、ベルトプーリホイール７２が固定されており、このベルトプーリホイールは、二次駆動用歯付きベルト５７を介して、中間軸２０のベルトプーリホイール２２と結合されている。適当なベルト張力のために、その際、中間プレート１６に設けられた緊張ローラー５８が配慮され、この緊張ローラーは、この中間プレート１６に回転可能に軸受けされた軸５９に固定されている。カムシャフト１２の右側の端面側において、更に、フライホイール部材６０が固定されている。このカムシャフト１２は、タペットハウジング４５の上に、２つの深溝玉軸受６０および６１を用いて、回転可能に軸受けされている。

以下で、図１０に基づいて、可変の弁駆動装置のために設けられた液圧回路が説明されている。より良い見通しのために、他の図内においては、個別の液圧回路内において設けられた諸構造部材の間の液圧的な接続部、導管、等の図示は放棄されている。これら個別の液圧的な構造部材の結合は、鋼製フレキシブル導管を用いて実現される。これら鋼製フレキシブル導管は、ダブルユニオン（Doppelstutzen）および継ぎ手でもって、これら構造部材に固定されている。オイルポンプ２７を用いて、オイルタンク２８から、液圧オイルが、タペット４６および４７へと送られる。このオイルポンプは、ばね負荷された圧力制限弁７１を装備しており、この圧力制限弁でもって、系圧力が、直接的にオイルポンプ２７において調節される。液圧的な導管内において、４／３路方向制御弁として形成された切替弁３３でもって、切り替え可能なタペット４６、４７の弁往復行程切り替えが制御される。この切替弁３３の左側の切替位置において、タペット４６、４７内において設けられた穿孔５３を介して、ロックが作動状態にされ、従って、部分カム５０、および５２、もしくは５０′および５２′によって定められた弁往復行程が作動状態にされている。この電気的に制御可能な切替弁３３が、この切替弁の右側の切替位置に転換された場合、これらタペット４６、４７へと導く圧力導管は遮断され；且つ、この圧力制限弁７１が開放され、および、この液圧オイルが、短い循環回路内において、オイルタンク２８へと導き戻される。穿孔５３内における液圧オイル圧力は下降し、且つ、両方のばね負荷されたピストン部材５４、５５が、その位置内において外側および内側の往復ピストン４８、４９が互いに再び自由に移動可能である、位置へと移行される。この位置内において、既に説明されているように、その場合に排気弁４３、４４が開放していない、ゼロの往復行程が発生される。オイルフィルターブロック３２から、２つの（図示されていない）導管もしくは穿孔が、公知の液圧的な弁クリアランス調整のオイル供給のために、直接的にタペット案内部へと通じている。

両方の排気管路４１および４２に対して、排気管６２が接続されており、この排気管は、フランジ６３を用いて、基体３９に固定されている。

図１１に従う概略的な図示から認められるように、シリンダー３６の内側室内において、圧力センサー６４、並びに温度センサー６５が配設されている。第２および第３の圧力センサー６６および６７は、排気管路４１および４２内において、 −即ち、２つの圧力センサー６６が− それぞれに、弁座リングに対して直ぐ近傍に、および、圧力センサー６７が、基体３９内において合体された排気管路４１および４２の端部に設けられている。２つの第１のマイクロホン６８は、同様に、これら弁座リングに対して直ぐ近傍に、且つ、第２のマイクロホン６９が、同様に、この基体３９内において合体された排気管路４１および４２の端部に設けられている。第３のマイクロホンは、排気管６２内において設備されている。

予排気衝撃をシミュレーションするために、シリンダー３６は、圧縮空気供給装置を通し、弁３８を通して、圧縮空気でもって充填される。冒頭に記載したように周波数変換器を用いて制御されている電気モータ１０を介して、カムシャフト１２が、一次駆動用歯付きベルト２６、および、二次駆動用歯付きベルト５７を介して駆動される。この周波数変換器を用いて、この電気モータ１０は、２５０から８０００Ｕ／ｍｉｎまでの範囲内において、駆動可能である。先に説明した、弁往復行程切り替えでもって、ここで、所望された測定時点において、もしくは選択された作動点が存在する場合、ゼロの往復行程（中間のカムシャフト領域５１、もしくは５１′）から、両方の排気弁４３および４４の急激な開放を生じさせる弁往復行程（部分カム５０、および５２、もしくは５０′および５２′）へと切り替えることは可能である。

排気弁４３、４４の開放と共に、圧力センサー６４、６６、および６７によって、圧力経過が弁往復行程にわたって測定され、その際、静的な圧力が収容される。測定終期（下死点（ＵＴ）におけるピストン）の際の、このシリンダー３６内におけるシリンダー圧力、および残留圧力の圧力経過は、全予排気流動（Vorauslassstroemung）の品質の良さの評価のための重要な判断基準である。同様に詳細な情報を、特別に、予排気衝撃を介して捉え得るために、管路始端部とシリンダー３６との間の圧力差を測定することは必要である。この理由から、圧力センサー６６は、直接的に管路４１、４２の始端部に設けられている。この圧力比率は、排気弁４３、４４、もしくは弁座リングの領域内における、弁往復行程に関しての、圧縮衝撃の形成に関する情報を提示する。この管路始端部と管路終端部との間の圧力経過から、これら排気管路４１、４２内における静的な圧力における損失が検出される。従って、これら排気管路４１、４２内における流動損失に関する情報を捉えることは可能である。何故ならば、これら流動損失が静的な圧力に表れるからである。３つのマイクロホン６８、６９、および７０を用いて、音圧が測定され；且つ、この音圧から、音圧レベルが規定され得る。より精確な分析のために、全ての騒音は、いわゆる周波数帯域（オクターブ帯域、および３オクターブ帯域）に分けられる。従って、それぞれの周波数帯域の影響は、全音響レベルに対して規定される。このマイクロホン６８は、その際に、この音圧を、直接的に、音響的な検査のために最も注目すべき領域である管路始端部において測定する。このマイクロホン６８は、その際、乱流状の自由噴流の混合ゾーンに設けられており、この混合ゾーンが、排気弁４３および４４の直ぐ後ろに形成されている。混合過程の際、自由な渦流、および、適当な圧力変動を誘起する強い乱流状の応力が発生する。測定の再現性のために、シリンダー３６内において、温度センサー６５が設けられている。何故ならば、さもないと、開始状態において発生する温度差が、測定に影響を及ぼすからである。

上側のベースプレート６に固定された基体３９の、容易な交換可能性に基づいて、
全ての、一般に行われている排気管路形状 −急傾斜の実験管路が備えられている− は、安いコストで検査され得る。従って、燃焼エンジンの排気流動をシミュレーションするための試験台が提示されており、この試験台でもって、簡単な構造およびやり方で、実際に生じる乱流状の流動が、下死点（ＵＴ）になる前の排気弁の開放の際に検査される。

基本的な構造部材を有する、試験台の側面図である。 試験台の下側のベースプレートの図である。 試験台の上側のベースプレートの図である。 ２つのベルトプーリホイールを有する、試験台の中間プレートの図である。 流動試験台のシリンダーヘッドの縦断面図である。 下側からの、シリンダーヘッドの基体の図である。 図６内における、線ＶＩ−ＶＩに沿っての断面図である。 往復行程伝達部材の横断面図である。 往復行程伝達部材の縦断面図である。 切り替え可能な弁駆動装置のための液圧配管図である。 所定の測定位置を有する、シリンダー、およびシリンダーヘッドの、概略的な図である。

Claims (11)

1. 燃焼エンジンの排気流動をシミュレーションするための試験台であって、
   この試験台が、
   − シリンダー（３６）、並びに、シリンダーヘッドとして形成された基体（３９）を有しており、
   この基体内において、燃焼室を複製、即ち模擬するための、少なくとも１つの、ガス給排気弁（４３、４４）によって監視された排気管路（４１、４２）、および、凹部即ち球冠部（４０）が設けられており、その際、このガス給排気弁（４３、４４）が、可変の弁往復行程切り替えを用いて操作可能であり、
   − この弁往復行程切り替えのための制御装置を有しており、
   − 圧縮空気でもって、このシリンダー（３６）を充填するための装置を有している、
   ことを特徴とする試験台。
2. 基体（３９）に、ハウジング（４５）が固定されており、このハウジング内において、切り替え可能なタペット（４６、４７）が収容されており、これらタペットが、このハウジング（４５）の上に、もしくは沿って、固定されたカムシャフト（１２）によって操作可能であるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の試験台。
3. タペット（４６、４７）は、内側、および外側の往復ピストン（４８、４９）から成り、その際、外側の往復ピストンが、弁往復行程の変換のために、カム（５０、５２）、もしくは（５０′）および（５２′）と、および、
   内側の往復ピストン（４９）が、ゼロの往復行程の変換のために、このカムシャフト（１２）の、円直径を有するカムシャフト領域（５１）もしくは（５１′）と協働するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の試験台。
4. タペット（４６、４７）の内側および外側の往復ピストン（４８、４９）は、液圧的に操作可能なロックユニット（５３〜５６）を介して、切り替え可能、もしくは互いにロック可能であるように構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の試験台。
5. 液圧システムのオイル圧供給のために、モータによって駆動されているオイルポンプ（２７）が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の試験台。
6. 液圧システムは、切替弁（３３）、オイルタンク（２８）、並びにオイルフィルター（３１）を有していることを特徴とする請求項５に記載の試験台。
7. カムシャフト（１２）は、駆動用歯付きベルト（２６、５７）を介して、電気モータ（１０）によって駆動されていることを特徴とする請求項２から６のいずれか一つに記載の試験台。
8. 電気モータ（１０）を制御するために、周波数変換器が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の試験台。
9. シリンダー（３６）、および排気管路（４１、４２）内において、物理的な状態量を検出するためのセンサー（６４〜７０）が設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の試験台。
10. シリンダー（３６）、および排気管路（４１、４２）内において、一つまたは多数の圧力センサー、および温度センサー（６４〜６７）が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の試験台。
11. 排気管路（４１、４２）内において、多数の位置に分配された状態で、音圧測定のためのマイクロホン（６８、６９、７０）が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の試験台。

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