Untersuchungen über den Einfluß der Auspuffrohrabmessungen auf den Ladungswechsel einer Einzylinder-Zweitakt-Vergasermaschine mit Kurbelkastenspülung

69 Pages·1958·4.74 MB·German

by  Dr.-Ing. Werner Wilhelm (auth.)

FORSCH U NGSBE RICHTE
DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS
NORDRH E I N-WESTFALE N
Herausgegeben von Staatssekretär Prof. Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
Nr.588
Dr.-Ing. Werner Wilhelm
Mitteilungen aus dem
Aerodynamischen Institut der Technischen Hochschule Aachen
Untersuchungen über den EinAuß der Auspuffrohrabmessungen
auf den Ladungswechsel einer Einzylinder-Zweitakt
Vergasermaschine mit Kurbelkastenspülung
AI. Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG I KOLN UND OPLADEN
1958
ISBN 978-3-663-03828-3 ISBN 978-3-663-05017-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-05017-9
Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e der u n g
. . . . . . . . . . . . .
1. Einleitung s. 1
. . . . . . . . .
2. Aufgabenstellung S. 8
. . .
3. Daten der Versuchsmaschine s. 9
. . . . . . . . . . .
3.1 Zylinder und Kurbelkasten • S. 9
3.2 Einlaßschlitz, Spülschlitze und Auslaßschlitz • S. 10
3.3 Durchflußzahlen der Steuerschlitze S. 11
3.4 Steuerung der Versuchsmaschine s. 14
4. Messungen an der Versuchsmaschine s. 14
4.1 Versuchseinrichtung • • • • • • • • •• s. 14
4.2 Meßgeräte. • • • • • • • • • • • • • • • • •• s. 15
4.3 Allgemeines zu den Messungen • • • • • ••••• .S .15
a
4.4 Einfluß der Auspuffrohrlänge auf die Kennfeldgrößen
der Maschine bei Vollast, bei konstantem
Rohrquerschnitt ••••••••••••••••••• s. 11
4.5 Druckverlauf im Zylinder, Kurbelkasten
. . . . . . . . .
und Auspuffrohranfang • S. 19
. . . . . . . . . . . . . .
5. Rechenergebnisse S. 22
5.1 Ermittlung der abgestimmten Auspuffrohrlängen
nach Abscnätzungsmethoden und Vergleich mit
. . . . . . . . . . . .
der Messung • • • • • • • • S. 22
5.2 Ladungswechselrechnung ohne Berücksichtigung
. . .
der Rohr- und Kanaleinflüsse ••••• s. 24
5.3 Ladungswechselrechnung mit akustischer
Berücksichtigung der Auspuffrohrwirkung • S. 32
. . . . . . . .
6. Zusammenfassung S. 33
. . . . . . . .
1. Formelzeichen ••• s. 35
8. Literaturverzeichnis ••• S. 38
Sei te 3
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein Westfalen
Vorwort
Diese Arbeit stellt einen Teil der Untersuchungen über die Strömungs
vorgänge in pulsierend arbeitenden Triebwerken dar, die am Aerodynami
schen Institut der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule
Aachen durchgeführt werden.
Dem Leiter des Insti.tutes, Herrn Prof. Dr.-Ing. F. SEEWALD, bin ich
für wissenschaftliche Förderung zu stetem Dank verpflichtet.
Ebenfalls schulde ich Herrn Dr.-Ing. H. ZELLER für Unterstützungen und
Hinweise Dank.
Für experimentelle Untersützung und Hilfen sowie für das Zeichnen der
bildlichen Darstellungen sei an dieser Stelle den Herren Dipl.-Ing.
K. STÜLPNER, Dipl.-Ing. F. LANGEN und Dipl.-Ing. R. JÜRGLER gedankt.
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Forsohungsberiohte des Wirtsobafts- und Verkehrsministeriums Nordrbein-Westfalen
1. Einleitung
Es ist bekannt, daß infolge des intermittierenden Auspuffvorganges am
Zweitaktmotor Gasschwingungen in den Auspuffrohren angeregt werden, die
starke Rückwirkungen auf den Ladungswechsel der Maschine, also auf das
Einbringen von Frischladung und Entfernen der verbrannten Ladung ausüben,
so daß die Leistung und die übrigen Kennfeldgrößen der Maschine, wie
Brennstoffverbrauch, Luftaufwand, Abgastemperatur ~d Kurbelkastentem
peratur entscheidend beeinflußt werden können.
Leistungssteigerungen sind nur dann erreichbar, wie Arbeiten von K. NEU
MANN [1] 1), A. OPPITZ [2]. Th. SCHMIDT [3], o. LUTZ [6], P. HADLATSCH
[11J, M. LEIKER [11J, P.H. SCHWElTZER [21J u.a.m. gezeigt haben, wenn
die instationäre Gasströmung in den Auspuffrohren auf den Gaswechsel
der Maschine abgestimmt ist und ihn in der Art unterstützt, daß eine
möglichst große Frischladung im Zylinder bei Abschluß der Auslaßschlitze
verbleibt. Um hohe Leistungssteigerungen bei abgestimmten Auspuffrohren
zu erzielen, muß nach Untersuchungen von E. JENNY [13J die im Zylinder
bei Auspuffbeginn zur Verfügung stehende Energie mit optimalem Wirkungs
grad zur Spülung und Aufladung verwendet werden. Dies gelingt am aus
sichtsreichsten, wenn alle Bestrebungen auf die Erhaltung des Voraus
laßdruckstoßes gerichtet werden. Hierbei hat die sorgfältige strömungs
technische Ausbildung der steuernden Schlitze (besonders des Auslaß
schlitzes mit dem Übergang zum Auspuffrohr) einen entscheidenden Anteil,
wie auch P. HADLATSCH [19J nachgewiesen hat.
Bei gegebenen Maschinen- und Schlitzabmessungen ist die Menge der Frisch
ladung, die nach Abschluß der Auslaßschlitze im Zylinder verbleibt, nur
eine Funktion der auspuffseitig geschalteten Rohrabmessungen und der
Drehzahl.
Für die rechnerische Behandlung der instationären Strömungsvorgänge gibt
die einschlägige Literatur eine Reihe von Methoden an, wie z.B. die Ar
beiten von A. PISCHINGER [4J, P. HADLATSCH [11J, E. JENNY [13],.G. REYL
[15] u.a.m. zeigen. Bei großen Druckamplituden in den Auspuffrohren
gestattet aber nur die gasdynamische Betrachtungsweise eine zufrieden-
1. Die Zahlen in eckigen Klammern [ ] weisen auf das angeführte Schrift
tum hin
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stellende und richtige Erfassung der instationären Strömungsvorgänge,
wie von P. HADLATSCH l11] und E. JENNY [13] nachgewiesen wurde.
Die Abmessungen abgestimmter Auspuffrohre wird man zweckmäßigerweise
nach Abschätzungsmethoden auslegen und sich der Versuchskontrolle bedie
nen, da die rechnereisehen Methoden der instationären Gasdynamik zur Auf·
findung abgestimmter Auspuffrohre einen zu großen Aufwand erforderlich
machen würden. Bei bekannten Rohrabmessungen ergeben gasdynamische
Rechnungen dann einen präzisen Einblick in die Art der Gaswechsel- und
Strömungsvorgänge, so daß Verbesserungsmöglichkeiten studiert werden
können.
Der Aufwand, abgestimmter Auspuffrohre an Zweitaktmotore zu schalten,
scheint aber erst voll gerecntfertigt, wenn diese - außer bei der Ab
stimmungsdrehzahl - zusätzlich in einem größeren Drehzahlbereich Lei
stungssteigerungen ermöglichen, so daß sich auch bei Fahrzeugmotoren die
Ausnützung der dynamischen Auspuffrohrwirkung lohnt. In der bisher be
kannten Literatur ist nur spärlich über eine systematische Untersuchung
der Kennfeldabhängigkeit der Zweitaktmaschine von kontinuierlich verän
derten Aupuffrohrabmessungen berichtet worden, die diese Frage klären
hilft.
2. AufgabensteIlung
Es soll an einem Einzylinder-Zweitakt-Vergasermotor mit Kurbelkasten
spülung der Einfluß der Auspuffrohrlänge (bei unverändertem Rohrquer
schnitt) auf die abgegebene Leistung, den Luftaufwand, den stündlichen
und spezifischen Brennstoffverbrauch, die mittlere Abgas- und die mitt
lere Kurbelkastentemperatur auf Grund systematischer Versuche gezeigt
und die im Drehzahlbereich der Maschine auf den Ladungswechsel abge
stimmten Auspuffrohrlängen bestimmt werden.
Bei einer ausgewählten Drehzahl sollen oszillographische Messungen des
Druckverlaufes im Zylinder, Kurbelkasten und Auspuffrohranfang für drei
charakteristische Fälle der Maschinenanordnung gemacht werden, um die
Wirkungsweise geschalteter Auspuffrohre und deren Einfluß auf den La
dungswechsel näher zu begünden:
a) bei der Maschine mit vernachlässigbarer Auspuffrohrlänge, der sog.
Ausgangsmaschinenanordnung,
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b) bei der Maschine mit abgestimmtem Auspuffrohr,
c) bei der Maschine mit nichtabgestimmtem Auspuffrohr.
Für den Fall a soll eine Ladungswechsel-, Leistungs- und Verbrauchsrech
durchgeführt und die erzielten Rechnungsergebnisse mit den Meßer
~ng
gebnissen verglichen werden. Im Fall b soll zusätzlich die Auspuffrohr
wirkung akustisch berücksichtigt und gezeigt werden, welche Genauigkeit
die akustische Rechenmethode zur Erfassung der instationären Auspuffrohr
strömung im Vergleich zur Messung aufweist. Weiter sollen die experimen
tell ermittelten, abgestimmten Auspuffrohrlängen mit den nach einer
Abschätzungsmethode errechneten verglichen werden. Auf Grund der experi
mentellen Ergebnisse soll ferner untersucht werden, ob die Resonanz
breiten abgestimmter Auspuffrohre ausreichen, so daß diese an Fahrzeug
motoren Anwendung finden können. Zur Beurteilung der strömungstechntschen
Ausbildung der Steuerschlitze der Versuchsmaschine sollen die aus frühe
ren Messungen 2) bekannten stationären Durchflußzahlen hier wieder ange
führt und in ihrer bildlichen Darstellung erweitert werden.
3. Daten der Versuchsmaschine
Der vorgegebene Versuchsmotor ist eine Einzylinder-Zweitakt-Vergaser
maschine mit Kurbelkastenspülung der Firma Fichtel & Sachs, Schweinfurt,
vom Typ Stamo 360 L.
Er wird durch ein Dreikanalsystem gespült. Gekühlt wird der Motor durch
ein an der Kurbelwelle angeflanschtes Gebläse, dessen Luftstrom durch
Leitbleche an den Kühlrippen des Zylinderblocks vorbeigeleitet wird.
Nach Angabe der Lieferfirma soll die Schlatung einer Vergaserdüse Nr.90
bei mäßigem Brennstoffverbrauch die maximale Leistung über dem gesamten
Drehzahlbereich der Maschine ergeben. Die günstigste Zündeinstellung
soll bei ZB = 26 [OKW] vor oT liegen.
3.1 Zylinder und
Kurbel~sten
Zylinderdurchmesser •••••••••••••••••••••••••••• D 78 [mm]
Hub ••••••••••••••.••••••••••••••••••••.•••••••• H 75 [mm]
Kurbelradius ................................... r 37,5 [mm]
p
Pleuelstangenlänge ••••••••••••••••••••••••••••• 1 130,5 [mm]
P
2. vgl. W. WILHELM [18]
Sei te 9
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Pleuelstangenverhäl tnis ••••.••.•.•.•••..••••••• -tP 0,287
Kompressionsvolumen •••••••..•..•.••••.•••.....• 71
Hubvol urnen •................................•..• 357
Schädliches Kurbelkastenvolumen ••.•••• A •••••••• Vko 740
Aus diesen Angaben lassen sich folgende bekannte dimensionslose Größen
bestimmen:
Geometrisches Verdichtung~verhältnis des Zylinders
1
=
1 -r5za
Effektives Verdichtungsverhältnis des Zylinders
Geometrisches Verdichtungsverhältnis des Kurbelkastens
1
Eg - ; 1 + = 1,483
k -
EKo
Bezogenes Kurbelkastenvolumen
.
er
= 207 +
hier bedeutet EK o; VVKo = 2,07 das bezogene schädliche Kurbelkasten-
H
volumen.
Bezogenes Zylindervolumen
E9;-1
Zz = +[1-($J=1,20 -fS (5)
Die GI. (4) und (5) werden für Ladungswechselrechnungen zweckmäßig in
Kurvenform aufgetragen, wobei der Kurbelwinkel ~ [oKW] die Abszisse
darstell t.
3.2 Einlaßschlitz, Spülschlitze und Auslaßschlitz
Die Steuerschlitze der Versuchsmaschine bestehen aus einem Einlaßschlitz,
zwei Spülschlitzen und einem Auslaßschlitz. Die Spülschlitze und der
Auslaßschlitz werden von der Kolbenoberkante, während der Einlaßschlitz
von der Kolbenunterkante gesteuert wird. Aus Abbildung 1 ist die Lage
der Steuerschlitze im Zylinderblock zu ersehen.
3. vgl. Abschnitt 7 über die Bedeutung der Formelzeichen
4. ~; x/H ist der auf den Hub H bezogene Kolbenweg X; s.
hierzu P. HADLATSCH [10]
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Der vor dem Einlaßschlitz im Zylinderblock eingegossene Einlaßkanal mißt
1 54 [mm]. Dazu addiert sich die Länge des Vergaservorsatzstückes
eko
und die Vergaserkanallänge, so daß die Gesamtlänge des Saugrohres vor
dem Einlaßschlitz, gemessen von der Vergaserendkante bis zur Innenwan
dung des Zylinders lek = 191 [mm] bei einem mittleren Kanaldurchmesser
P
von ca. dek = 26 [mm] beträgt (s. hierzu Abb. 8). Vor den beiden Spül
schlitzen (auf Abb. 1 mit S bezeichnet) sind zwei Spülkanäle im Zylin
derblock eingegossen, die den Kurbelkastenraum mit dem Zylinderraum ver
binden. Die Kanallänge pro Spülkanal beträgt ca. lk = 64 [mm] bei
zo
einem Kanalquerschnitt von F = 41,5·9 [mm2]. Die unteren Mündungen
k
zo
der bei den Spülkanäle zum Kurbelkasten hin (auf Abb. 1 mit M bezeichnet)
werden von zwei scharfkantigen Öffnungen im Kolben gesteuert. Dem Aus
laßschlitz ist ein kurzer, sich erweitender und im Zylinderblock einge
gossener Auslaßkanal von der Länge 1 = 40 [mm] nachgeschaltet. Der
zao
Querschnitt des Auslaßkanals wechselt vom Rechteck auf eine runde Form
am Ende des Kanals mit einem Durchmesser von d = 36 P [mmJ.
za
Zur Bestimmung der freien geometrischen Schlitzöffnungen F k' Fk- und
e
~s
F als Funktion des Kurbelwinkels ~ [OKW] auf Abbildung 4 wurden die
za
von P. HADLATSCH [10] und H. ZELLER [14J aufgestellten geometrischen
Beziehungen benützt. Die Abmessungen der Steuerschlitze sowie die Sche
men zu Bestimmung der einzelnen geometrischen Schlitzöffnungen enthalten
die Abbildungen 2 und 3. Eine rechnerische Untersuchung ergab, daß die
Öffnungs- und Steuerdaten an der Spülkanalmündung M ausreichend die an
der Spülkanalmündung S zum Zylinder (Spülschlitze) überdecken.
3.3.Durchflußzahlen der Steuerschlitze
Die Durchflußzahlen ~der Steuerschlitze bestimmen die für den Gaswech
sel wirksamen Öffnungsquerschnitte F . Die im stationären Durchfluß
w
gemessenen Durchflußzahlen der Steuerschlitze können nach P. HADLATSCH
[19] zur Berechnung instationärer Strömungsvorgänge verwendet werden,
wenn die nachfolgende Bedingung eingehalten wird:
Für die rechnerische Anwendung auf instationäre Strömungsvorgänge gilt,
daß die Zeitdauer ~ tD für eine Druckänderung längs der mittleren Dros
selachse ID kleiner sein muß als die Dauer des gewählten Rechenschrittes
~ t, also ~tD = ln/am <~t, wobei am die mittlere Schallgeschwindig
keitin ID bedeutet. Für ~ t ist dann der strömungsvorgang stationär,
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auch wenn starke Druckwellen beiderseits des Drosselorgans wandern.
Stationär gemessene Durchflußzahlen vermitteln daher eiDen ersten Ein
blick in die Güte der strömungstechnischen Ausbildung der Steuerschlitze.
Nach ähnlichkeitstheoretischen Betrachtungen ist die Durchflußzahl all
gemein von einer Reihe von Kennzahlen abhängig (s. hierzu auch P. HAD
LATSCH [19]), deren Einfluß nur durch Versuche ermittelt werden kann.
Für Berechnungen an Zweitaktmotoren genügt fast ausschließlich die Kennt
nis der Abhängigkeit vom Druck- und Öffnungsverhältnis (Kolbenstellung)5).
Die am Zweitaktmotor auftretende Drosselanordnungen (Steuerschlitze)
können nach P. HADLATSCH L19] auf Ersatzanordnungen zurückgeführt wer
den, die in den Abbildungen 5 und 6 mit angeführt sind. Danach wird die
Durchflußzahl in folgender Weise definiert:
G (6)
=
G'h 12 . Fd
2
Hierin bedeuten ;d [m ] der geometrische Drosselquerschnitt, G [kg/s]
das tatsächliche Durchflußgewicht und Gth [kg/m2'sJ das auf Fd bezogene
theoretisch fließende Gewicht beim Druckverhältnis P2/Po1 (P1/P02),wobei
Po1 (po2) der Ruhedruck (Pitotdruck) im Staupunkt 01 (02) des Quer
schnittes 1 (2) bedeutet, der aus den Meßwerten errechnet werden kann.
Die Durchflußzahlen der einzelnen Steuerschlitze auf den Abbildungen
5 und 6 stammen aus früheren Untersuchungen [18]. Die Versuchsmaschine
in [18] hatte dieselben Schlitzabmessungen und unterschied sich nur im
Zylinderdurchmesser um einen geringeren Betrag, der bei der Aufstellung
des geometrischen Öffnungsverhältnisses der Spülschlitze auf Abbildung
6a durch Umrechnung berücksichtigt wurde.
Abbildung 5 zeigt den Verlauf der Durchflußzahlen apk und ~kp des Ein
laßschlitzes über dem geometrischen Öffnungsverhältnis mek = Fek/F2 und
m = F /F , gemessen in beiden Strömungsrichtungen; In beiden Dar
ke ek 2
stellungen der Abbildung 5 sind Linien konstanter a -Werte nach GI.(6)
eingezeichnet. Ihr Zusammenhang mi t den Durchflußzahlen OC.k und CXh wird
durch die Beziehungen
. 6)
CXpk = cx0".7 FF,k = C( 01t1- . m.k (7a)
2
(Xh = a.0*2 F"k = CX0*2 ·mh (7b)
F
2
5. vgl. hierzu die Untersuchungen von H. LIsr [16J u.a.m.
6. Die Bedeutung der Indizes in den GI. ist in Abschn. 7 erklärt
Sei te 12