ENTWICKLUNG Mess- und Prüftechnik 106 MTZ 2/2003 Jahrgang 64 Dreidimensionale Messung der Ladungsbewegung mit Doppler Global Velocimetry Bei der Brennverfahrensentwicklung spielt die Kenntnis über Art und Intensität der Ladungsbewegung eine entscheidende Rolle. Die Korrelation zwischen der am Prüfstand für stationäre Strö- mung gemessenen globalen Ladungsbewegung (Drall, Tumble) und dem Verbrennungsergebnis ist nicht immer zufriedenstel- lend. Ein wesentlicher Grund ist die Komplexität der Strömung, die nur mit ortsauflösenden Messverfahren wie der Doppler Global Velocimetry gemessen werden kann. Dieses Verfahren wurde am Institut für Antriebstechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. in Köln entwickelt und wird von der IAV GmbH exklusiv im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung für Messungen an Verbrennungsmotoren eingesetzt. Die Autoren Dipl.-Ing. Jörn Kahrstedt leitet den Fachbereich Konzepte im Geschäftsfeld Motor/Antrieb der IAV GmbH. Dipl.-Ing. Oliver Dingel leitet die Abteilung Vorent- wicklung Ottomotor im Fachbereich Kon- zepte der IAV GmbH. Dr.-Ing. Thomas Seidel ist verantwort- lich für Strömungs- messtechnik im Fachbereich Konzepte der IAV GmbH. Dipl.-Ing. Stefan Zülch ist Abteilungs- leiter im Fachbereich Dieselmotoren des Geschäftsfelds Motor/Antrieb der IAV GmbH. 1 Messprinzip Die Doppler Global Velocimetry (DGV) ist ein laser-optisches Messverfahren zur flächenhaft ortsaufgelösten Messung des Drei-Komponenten-Geschwindigkeitsvek- torfelds basierend auf dem Doppler-Effekt. Im Falle stationärer Strömung wird die über wenige Sekunden zeitlich gemittelte Strömung gemessen. Eine periodische Strö- mung wird mit Hilfe stroboskopischer Laserbeleuchtung und Mehrfachbelich- tung des Kamerasystems über mehrere tausend Perioden gemittelt gemessen [1]. Auf diese Weise ergibt sich ein phasenge- mitteltes Bild der Strömung bei einem bestimmten Nockenwellenwinkel bezie- hungsweise Ventilhub. 2 Ergebnisse Bild 1 zeigt exemplarisch das Messergebnis einer periodischen Strömung im Zylinder- raum eines Zweiventil-Dieselmotors (Ein- lassventile angetrieben, ohne Kolben). Die Anzahl und räumliche Lage der Schnittebe- nen für die Darstellung können frei gewählt werden. Die 3D-Geschwindig- keitsvektoren sind in diesem Beispiel als Pfeile im Raum dargestellt. Zusätzlich stel- len die Farben in Bild 1 die axiale Kompo- nente (z-Achse) der Geschwindigkeit dar, wobei rot die positive, im Bild aufwärtsge- richtete Strömung vom Zylinderkopf in die Zylinderbohrung anzeigt. Die wichtigsten Themenfelder bisheriger Strömungsanaly- sen sind:
Bei der Brennverfahrensentwicklung spielt die Kenntnis über Artund Intensität der Ladungsbewegung eine entscheidende Rolle.Die Korrelation zwischen der am Prüfstand für stationäre Strö-mung gemessenen globalen Ladungsbewegung (Drall, Tumble)und dem Verbrennungsergebnis ist nicht immer zufriedenstel-lend. Ein wesentlicher Grund ist die Komplexität der Strömung,die nur mit ortsauflösenden Messverfahren wie der DopplerGlobal Velocimetry gemessen werden kann. Dieses Verfahrenwurde am Institut für Antriebstechnik des Deutschen Zentrumsfür Luft- und Raumfahrt e. V. in Köln entwickelt und wird von derIAV GmbH exklusiv im Rahmen einer Kooperationsvereinbarungfür Messungen an Verbrennungsmotoren eingesetzt.
Dipl.-Ing. Oliver Dingel leitet dieAbteilung Vorent-wicklung Ottomotorim Fachbereich Kon-zepte der IAV GmbH.
Dr.-Ing. Thomas Seidel ist verantwort-lich für Strömungs-messtechnik im Fachbereich Konzepteder IAV GmbH.
Dipl.-Ing. StefanZülch ist Abteilungs-leiter im FachbereichDieselmotoren desGeschäftsfeldsMotor/Antrieb derIAV GmbH.
1 Messprinzip
Die Doppler Global Velocimetry (DGV) istein laser-optisches Messverfahren zurflächenhaft ortsaufgelösten Messung desDrei-Komponenten-Geschwindigkeitsvek-torfelds basierend auf dem Doppler-Effekt.Im Falle stationärer Strömung wird dieüber wenige Sekunden zeitlich gemittelteStrömung gemessen. Eine periodische Strö-mung wird mit Hilfe stroboskopischerLaserbeleuchtung und Mehrfachbelich-tung des Kamerasystems über mehreretausend Perioden gemittelt gemessen [1].Auf diese Weise ergibt sich ein phasenge-mitteltes Bild der Strömung bei einembestimmten Nockenwellenwinkel bezie-hungsweise Ventilhub.
2 Ergebnisse
Bild 1 zeigt exemplarisch das Messergebniseiner periodischen Strömung im Zylinder-raum eines Zweiventil-Dieselmotors (Ein-lassventile angetrieben, ohne Kolben). DieAnzahl und räumliche Lage der Schnittebe-nen für die Darstellung können freigewählt werden. Die 3D-Geschwindig-keitsvektoren sind in diesem Beispiel alsPfeile im Raum dargestellt. Zusätzlich stel-len die Farben in Bild 1 die axiale Kompo-nente (z-Achse) der Geschwindigkeit dar,wobei rot die positive, im Bild aufwärtsge-richtete Strömung vom Zylinderkopf in dieZylinderbohrung anzeigt. Die wichtigstenThemenfelder bisheriger Strömungsanaly-sen sind:
■ Im Rahmen der virtuellen Produktent-wicklung werden Messungen an der vonder IAV entwickelten modularen Flowboxdurchgeführt [2]. Damit lassen sich Grund-lagenuntersuchungen zur Validation undVerifikation von Berechnungsmodellen anverschiedenen Kanal- und Brennraumgeo-metrien zeit- und kostengünstig durch-führen.■ Die DGV-Messung der stationären Zylin-derinnenströmung bei Variation der Ein-lasskanalgeometrie an einem Dieselkon-zept belegt, dass sich das Strömungsfeldbeim Einströmvorgang allein mit her-kömmlicher Drall- und Durchsatzzahlnicht eindeutig erfassen lässt. Es wurdenweitere Kriterien aus den DGV-Messdatenberechnet und deren Korrelation zu Motor-kennwerten nachgewiesen. ■ Als Basis für CFD-Berechnungen werdennormalerweise CAD-Daten benutzt. Mes-sungen am real ausgeführten Bauteil zei-gen Abweichungen, die aus dem Ferti-gungsprozess resultieren. Streuungen inder Fertigung können zu Problemen imAbgas- oder Leistungsverhalten von Moto-ren führen. DGV-Messungen an entspre-chenden Serienzylinderköpfen dienen zurUrsachenfindung im Saugrohr- und Kanal-bereich. ■ Messungen an mechanisch bearbeite-ten Kanälen dokumentieren den Einflussauf die Strömung. Begleitende Motorprüf-standsversuche zeigen den Einfluss derKanalbearbeitung auf die Verbrennung.Durch Rückführung der Daten (ReverseEngineering) fließen die Ergebnisse in dieKanalkonstruktion ein.
2.1 Grafische Darstellung derStrömungsfelderAnhand eines Ottomotors mit Vierventil-Zylinderkopf soll der Vorteil der freienWahl der Schnittebene verdeutlicht wer-den, Bild 2 und Bild 3. Der farblichen Dar-stellung entspricht die zur jeweils gewähl-ten Schnittebene senkrechte Geschwin-digkeitskomponente. Bild 2 zeigt einenLängsschnitt durch den Zylinderraum, derzwischen den Einlassventilen senkrechtzur Motorlängsachse verläuft. Diese Ebenewird typischerweise zur Visualisierungvon Tumbleströmungen gewählt. Auch indem dargestellten Beispiel lässt sich derEinfluss des Tumblesystems deutlicherkennen. Die Farbverteilung zeigt jedochzusätzlich eine Strömung senkrecht zurEbene, die in Bild 3 (Blickrichtung auf denZylinderkopf) noch differenzierter sicht-bar wird. Es sind zwei ausgeprägte gegen-läufige Drallwirbel mit Rückströmgebie-ten in den Wirbelzentren vorhanden.Anhand der Farbskalierung ist die Formder Rückströmgebiete erkennbar, was
anhand der Darstellung in Bild 2 nichtmöglich ist.
Fertigungsabweichungen und Fehler inder Kanalauslegung führen hier leicht zueiner in der x,y-Ebene asymmetrischenStrömung und können den Motorbetriebnegativ beeinflussen, insbesondere dengeschichteten Betrieb eines Ottomotorsmit Direkteinspritzung, in dem sich daszündfähige Gemisch dann nicht in optima-ler Lage zur Zündkerze befindet. Mit einerim Vorfeld festgelegten Längsschnitt-Messebene in Verbindung mit einemZweikomponentenmessverfahren kanndieser Effekt nicht erfasst werden. Mit demDGV-Verfahren wird diese Asymmetrieeindeutig festgestellt und quantifiziert.
Bild 4 zeigt die Zylinderinnenströmungeines Vierventil-Dieselmotors bei verschie-denen Abständen vom Zylinderkopf. In derzylinderkopfnahen Strömung ist neben demHauptdrallwirbel ein weiterer Wirbel mitzum Hauptwirbel gleicher Drehrichtungerkennbar. Mit zunehmendem Abstandvom Zylinderkopf werden die kleineren Wir-bel verdrängt, und es bildet sich ein deutlichausgeprägter Hauptdrallwirbel aus. In Zy-linderachsrichtung sind Rückströmgebietezum Zylinderkopf zu beobachten.
2.2 Vergleich mit CFD-SimulationIm Rahmen der CFD-Simulation könnenalternativ verschiedene Modellansätzeverwendet werden, zum Beispiel zur Ver-netzung, für den numerischen Lösungsal-gorithmus, für die Modellierung der Tur-bulenz oder der Oberflächengüte. DieDGV-Messung liefert ein dreidimensiona-les Geschwindigkeitsfeld, das sich unmit-telbar mit numerischen Simulationser-gebnissen vergleichen lässt. Das Berech-nungsergebnis kann überprüft, dasModell verbessert und die Genauigkeit derBerechnung somit erhöht werden.
Ein Beispiel für das Resultat dieses Pro-zesses ist in Bild 5 dargestellt. Hier erfolg-te die Einlasskanalentwicklung im iterati-ven Prozess, bei dem die Optimierungs-schritte im CFD-Modell durchgeführt undnachfolgend mit DGV-Messungen amBasiskanal und an der optimierten Varian-te überprüft wurden.
2.3 Quantitative Bewertungdes gemessenen Strömungs-felds durch Kennzahlen In der Motorenentwicklung ist die Beurtei-lung der Zylinderinnenströmung bis heute
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2 Ergebnisse
Bild 1: Mit DGV gemessenes periodisches Strömungsfeld im Zylinderraum eines Zweiventil-Dieselmotors mit bewegten Einlassventilen für einen mittleren Ventilhub Figure 1: Periodic flow field measured with DGV in the cylinder chamber of a 2V diesel engine with moving inlet valves at medium valve lift
anhand von Kennzahlen üblich, die ausintegralen Messmethoden ermittelt wer-den. Ein derartiges integrales Messverfah-ren ist die Drall- und Tumblezahlermitt-lung mittels räumlichem Drallmesser nachTippelmann [3]. Mit Hilfe der DGV-Messda-ten besteht aufgrund der ortsaufgelösten3D-Information ebenfalls die Möglichkeit,derartige Kennzahlen zu ermitteln, die sehrgut mit konventionell ermittelten Kenn-zahlen übereinstimmen [4]. Somit versetztdie DGV den Motorenentwickler in dieLage, zum einen die entsprechende Strö-mung qualitativ zu bewerten, zum andereneinen Vergleich mit Einlasskanalkonfigura-
tionen durchzuführen, bei denen dieseneuartige Messtechnik noch nicht einge-setzt wurde. Neben den konventionellenStrömungskennzahlen ist die Bestimmungvon weiteren, die Zylinderinnenströmungquantifizierenden Kennzahlen aus dendreidimensionalen DGV-Strömungsbildernmöglich.
In Bild 6 ist die Volumendrallzahl einesVierventil-Diesel-Zylinderkopfs mit undohne Kanalabschaltung dargestellt. DieVolumendrallzahl fasst die bei einem Ven-tilhub in den verschiedenen Abständenvom Zylinderkopf auftretenden Drallinten-sitäten zusammen und ermöglicht somit
eine leichtere Einschätzung der Ladungsbe-wegung im gesamten Zylindervolumen.
Neben der Volumendrallzahl konntenweitere wichtige, die Ladungsbewegungcharakterisierende Kriterien wie Symme-triekennzahlen entwickelt und im Rah-men des Kanalentwicklungsprozesses ein-gesetzt werden.
3 Ausblick
Bisherige Untersuchungen konzentriertensich schwerpunktmäßig auf die Messungder stationären Einlassströmung. Da derLadungswechsel, die Kompression und die
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2.1 Grafische Darstellung der Strömungsfelder
Bild 2: StationäreZylinderinnenströ-mung eines Vier-ventil-Ottomotors(Längsschnitt zwi-schen den Einlass-ventilen; rechts mitaktiviertem Tumble-system, links ohne)Figure 2: Steady-state in-cylinder flowof a 4V SI engine (longitudinal sectionbetween inlet valves;shown with activa-ted tumble systemon the right, withouton the left)
Bild 3: StationäreZylinderinnenströ-mung eines Vierven-til-Ottomotors (Hori-zontalschnitt l = 40mm unter demZylinderkopf; rechtsmit aktiviertemTumblesystem, links ohne)Figure 3: Steady-state in-cylinder flowof a 4V SI engine(horizontal section, l = 40 mm below thecylinder head; shownwith activated tumblesystem on the right,without on the left)
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2.1 Grafische Darstellung der Strömungsfelder
2.2 Vergleich mit CFD-Simulation
Bild 4: StationäreZylinderinnenströ-mung eines Vierven-til-Dieselmotors beimaximalem Ventilhub(Horizontalschnitt,links Abstand l = 15mm unter dem Zylin-derkopf, rechts l/d = 1)Figure 4: Steady-statein-cylinder flow of a4V diesel engine atmaximum valve lift(horizontal section,distance on the left l = 15 mm below thecylinder head, on theright side l/d = 1)
Bild 5: Vergleich zwischen gemesse-nem (links) und be-rechnetem (rechts)Strömungsfeld aneinem Vierventil-Ottomotor (Horizon-talschnitt)Figure 5: Comparisonbetween measured(left) and computed(right) flow field of a 4V SI engine (horizontal section)
Verbrennung im Motor aber instationäreProzesse sind, ist eine Betrachtung derinstationären Strömung für den Motoren-entwickler von großer Bedeutung, insbe-sondere für den Abgleich der CFD-Berech-nungsmodelle. Für derartige Messungenim bewegten, ja sogar im gefeuerten Motorist das DGV-Messverfahren grundsätzlichgeeignet. Erste Versuche an einem Zylin-derkopf mit aktivem Ventiltrieb haben dasPotenzial zur Messung von periodischenStrömungen im Zylinder gezeigt, Bild 1.Messungen an anderen durchströmtenMotorbauteilen, zum Beispiel an Ansaugsy-stemen, Ladeluftstrecken, Abgaskrümmern
oder auch an Abgaskatalysatoren und Par-tikelfiltern sind mit entsprechendenAnpassungsarbeiten möglich [5].
4 Zusammenfassung
Das in diesem Beitrag vorgestellte undvon der IAV GmbH in Zusammenarbeitmit dem Deutschen Zentrum für Luft- undRaumfahrt e. V. für die Anwendung derStrömungsmessung in der Motorenent-wicklung weiterentwickelte Messverfah-ren stellt ein geeignetes Instrument zurErfassung und Beurteilung unterschied-lichster Strömungsvorgänge im Verbren-
nungsmotor dar. Im motorischen Entwick-lungsprozess besitzt die DGV-Strömungs-feldmessung eine Reihe von vorteilhaftenEigenschaften:■ flächenhafte Erfassung von dreiGeschwindigkeitskomponenten ■ sekundenschnelle Messung und Dar-stellung der Strömungsfelder■ Ermittlung von Kennzahlen zur quanti-tativen Bewertung der Ladungsbewegung■ Triggerung zur Erfassung von periodi-schen Strömungen möglich ■ Messungen in der Flamme möglich.
Der Einsatz dieses hochqualifiziertenEntwicklungstools bildet schon heute
einen wichtigen Baustein in der Entwick-lungskompetenz der IAV GmbH. Esergänzt die bewährten Berechnungs- undVersuchsmethoden in idealer Weise underöffnet durch sein Potenzial zur Weiter-
entwicklung neue Perspektiven bei derOptimierung des Verbrennungsprozesses– gerade auch im Hinblick auf die Ent-wicklung neuer komplexer und kombi-nierter Verbrennungsverfahren [6].
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Bild 6: Volumendrallzahl in Abhängigkeit vom Ventilhub für einen Vierventil-DieselzylinderkopfFigure 6: Volumetric swirl number in relation to the valve lift of a 4V diesel cylinder head
4 Zusammenfassung
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[1] Röhle, I.: Laser Doppler Velocimetry auf derBasis frequenzselektiver Absorption: Aufbauund Einsatz eines Doppler Global Velocime-ters. Ruhr-Universität Bochum, Disserta-tion,1999
[2] Neukirchner, H.; Weißflog, S.; Findeisen, B.;Beutner, E.: Der Zylinderkopf in der virtuellenProduktentwicklung. HdT-Tagung „Der virtuel-le Motor“, Februar 2002
[3] Tippelmann, G : Räumlicher Drallmesser fürDrall- und Tumblemessung. In: MTZ 58(1997), Nr. 6
[4] Willert, C.; Röhle, I.; Schodl, R.; Dingel, O.;Seidel, T.: Application of Planar Doppler Velo-cimetry within Piston Engine Cylinders. Pro-ceedings paper: 11th International Symposi-um on Applications of Laser Techniques toFluid Mechanics, 8-11 July 2002, Lisbon, Por-tugal, Paper No. 38-2
[5] Willert, C.; Bluemcke, E.; Beversdorff, M.;Unger, W.: Application of phase-averagingDoppler global velocimetry to engine exhaustflows. 10th International Symposium onApplications of Laser Techniques to FluidMechanics, 10-13 July 2000, Lisbon, Portugal
[6] Kahrstedt, J., Buchwald, R.: Vorteile eineshybriden Brennverfahrens auf der Basis einesaufgeladenen DI-Dieselmotors. 8. Tagung„Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmo-tors“, Graz, September 2001
Die Zahl der miteinander konkurrierenden Getriebebauarten für Pkw in Serie hat deutlich zugenommen, ohne dass damit die schon seit Jahrzehnten etablierten Systeme nun obsoletgeworden sind. ZF Sachs präsentiert eine Übersicht der heute und in naher Zukunft auf demMarkt erhältlichen Systeme – weiterentwickelte Handschaltgetriebe und Wandler-Automat-getriebe, automatisierte Handschaltgetriebe, Doppelkupplungsgetriebe und stufenlose Getriebe.
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