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
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