Dimensionierung eines Schwingungstilgers für einen Ansaugkanal

CFD – Praktikum SS 2004

Robert StadlbauerFritz Wiesner

Inhalt

Projektvorstellung Modellierung des Ansaugsystems Modellierung des Scwingungstilgers Überprüfung der Resonanzfrequenz des

Schwingungstilgers Simulation des Ansaugkanals mit

Schwingungstilger Fazit Anhang

ProjektvorstellungDie Arbeitsweise eines Zweitaktmotors

PROBLEM

Kolben bewegt sich aufwärts, dadurch entsteht Unterdruck im Kurbelgehäuse

Sobald der Ansaugkanal geöffnet ist, strömt das Kraftstoff-Öl-Luft-Gemisch in das Kurbelgehäuse ein

Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens werden Ansaug- und Auspuffkanal geschlossen und das Kraftstoff-Öl-Luft-Gemisch verdichtet

ProjektvorstellungProblem:

Kraftstoff-Öl-Luft-Gemisch strömt zurück in den Vergaser

Das Gemisch ‘‘verfettet‘‘, d.h. die Konzentration des Gemisches wird verändert und das Gemisch kann nicht mehr vollständig verbrennen.

Verhindern der Rückströmung durch

Verwendung eines Schwingungsdämpfers

am Ansaugkanal

ProjektvorstellungProblem:

Dieses Problem wurde bis dato zumeist experimentell gelöst, da es hauptsächlich hochgezüchtete Einzylindermotoren betrifft.

Bei Mehrzylindermotoren löschen sich die Effekte gegenseitig aus.

Wenige Zweitaktmotorenhersteller wie etwa Yamaha haben diese Rückströmung analysiert. Siehe YEIS-Paper (Yamaha-Energy-Induction-System ) im Anhang.

Modellierung des AnsaugsystemsModellierung des Problems:

Für das Geschwindigkeitsprofil, den kritischen Drehzahlbereich sowie die Geometrie des Ansaugkanals wurden, in Anlehnung an Datenblätter des Herstellers Yamaha bzw. in Anlehnung eines Simonini-Motors für einen Ultralightflieger, reale Werte ausgewählt.

Modellierung des AnsaugsystemsModellierung des Problems:

• Kritische Motordrehzahl: 2500 U/min• Vergaser bzw.

Ansaugrohrdurchmesser: 28mm• Länge des Ansaugrohres vom Vergaser

bis zum Kolben (beziehungsweise Ansaugmembran): 150mm

• Kritische Vergaseröffnung: ¼ Hub

Modellierung des AnsaugsystemsModellierung des Problems:

Ursprüngliche Modellierung des Geschwindigkeitsverlaufes am Ansaugkanal:

Modellierung des AnsaugsystemsModellierung des Problems:

Diese Modellierung erwies sich als nicht ausreichend, da die Laufzeit einer Schallwelle im Ansaugrohr

um den Faktor 1000 kleiner als die gewählte Periodendauer der Motoranregung ist.

Modellierung der Rückströmung durch modifizierte Randbedingung mit negativem Anteil notwendig, siehe Anhang YEIS.

c

lT kanal

L

Modellierung des AnsaugsystemsModellierung des Problems:

Modellierung des Geschwindigkeitsverlaufes am Ansaugkanal analytisch mittels Fourierreihe (siehe Mapple-Sheet in Anhang):

Modellierung des AnsaugsystemsModellierung des Problems:

Berechnung der Peridendauer:

Berechnung um Amplitude:

Ansatz über den Volumstrom:

Wobei das Ansaugvolumen mit 100ccm angenommen wurde .

Der berechnete Volumstrom wurde mit der Fläche unter der Anregungskurve gleichgesetzt.

sf U

s

024.02500

601

min

min

vAV

V AnsaugrohrAnsaug *

Modellierung des AnsaugsystemsTurbolenzüberprüfung:

Berechnet wurden die Reynoldszahlen im größten Ansaugrohrdurchmesser bei der mittleren Geschwindigkeit, sowie der maximalen Geschwindigkeit durch die Aufgezwungene Ansaugschwingung:

Bei einer mittleren Geschwindigkeit:

Bei maximaler Geschwindigkeit:

smv 77.6

turbolentdv hHydraulisc 20000

*Re

turbolent65000Re

smv 27.21max

Modellierung des AnsaugsystemsWiderstandsbeiwert des Vergasers

Da der Vergaser einem Absperrschieber sehr nahe kommt, wurde der Widerstandsbeiwert einer Tabelle des Skriptums aus Thermische Prozesse und Strömungslehre entnommen.

Der Vergaser wurde dann als „purous-Jump“ in die Simulation aufgenommen.

Modellierung des Schwingungstilgers

Modellierung des Schwingungsdämpfers als Feder-Masse-System

Das Ansaugrohr wird durch den Kolben mit der Kreisfrequenz Ωk angeregt,

wobei diese Schwingungen mithilfe eines zweiten dynamischen Systems, dem

Schwingungsdämpfer, minimiert werden können, wenn dessen

Resonanzfrequenz

in die Nähe von Ωk gelegt wird.

SD

SDRES m

c

Modellierung des Schwingungstilgers

Modellierung des Schwingungsdämpfers als Feder-Masse-System

Als Pendant zur mechanischen Feder wird ein kompressibles Gasvolumen gewählt

,

die mechanische Masse entspricht der Gasmasse im Verbindungsschlauch

.

KammerSD V

pA

dV

Adp

dx

dFc 0

22

SchlauchSD Vm

Schlauch

Kammer

Modellierung des Schwingungstilgers

Modellierung des Schwingungsdämpfers als Feder-Masse-System

Deswegen folgt für die Resonanzfrequenz:

mit: A ..Schlauchquerschnitt

V1..Schlauchvolumen

V2..Ausgleichskammervolumen

sVV

TRARES

1262

60

25002

.

21

2

Überprüfung der Resonanzfrequenz des Schwingungstilgers

Simulationsversuch in Fluent

Um die analytisch errechnete Resonanzfrequenz des Schwingungstilgers zu überprüfen, wurde in Fluent ein Drucksprung aufgeschaltet, auf welchen dieser mit der Resonanzfrequenz antworten muss.

Überprüfung der Resonanzfrequenz des Schwingungstilgers

Durch Ablesen der Periodendauer kann die Resonanzfrequenz bestimmt werden.

Durch einen Rechenfehler kam es zu einen starken Abweichung der Resonanzfrequenz zwischen Dimensionierung und Simulation.

Desweiteren weicht die Resonanzfrequenz aufgrund von Reibungs-, Widerstands und Viskositätseffekten von der analytisch ermittelten Frequenz ab.

Überprüfung der Resonanzfrequenz des Schwingungstilgers

Sprungantwort des SchwingungstilgerssgemessenRES

1698

Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger

Das Modell:

Umgebung

Vergaser als poröse Wand

Zylinder

Ansaugkanal

Schwingungs-tilger

Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger

Ansaugkanal ohne Schwingungstilger

Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger

Ansaugkanal ohne Schwingungstilger

Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger

Ansaugkanal mit Schwingungstilger bei der Resonanzfrequenz

Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger

Simulationsergebnis bei Anregung mit der Resonanzfrequenz

Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger

Ansaugkanal mit Schwingungstilger bei Anregung mit 60% der Resonanzfrequenz

Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger

Simulationsergebnis bei Anregung mit 60% der Resonanzfrequenz

Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger

Simulationsergebnis bei Anregung mit 85% der Resonanzfrequenz

Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger

Simulationsergebnis bei Anregung mit 115% der Resonanzfrequenz

Fazit

Man kann gut erkennen das der Schwingungstilger über einen großen Bereich der Drehzahl das Rückströmverhalten verringert. In der unmittelbaren nähe der Resonanzdrehzahl kommt es zu Schwebungen die den Phasensprung ankündigen.

Ausblick: Erweiterung der Bandbreite durch Dämpfung: Abrunden der

Übergänge zwischen Kanal und Kammer.... Einfluss von Wandrauhigkeiten....

Zweite Federkonstante durch elastisches Kammervolumen.... Einfluss durch Elastische Schlauchwände....

Anhang

Yamaha YEIS-Paper

siehe Attachment

Mapple-Sheet der Ansaugschwingung

siehe Attachment