Dimensionierung eines Schwingungstilgers für einen Ansaugkanal

1. Dimensionierung eines Schwingungstilgers für einen Ansaugkanal CFD – Praktikum SS 2004 Robert Stadlbauer Fritz Wiesner

2. Inhalt • Projektvorstellung • Modellierung des Ansaugsystems • Modellierung des Scwingungstilgers • Überprüfung der Resonanzfrequenz des Schwingungstilgers • Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger • Fazit • Anhang

3. Die Arbeitsweise eines Zweitaktmotors 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 Projektvorstellung PROBLEM

4. Problem: 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. Projektvorstellung Verhindern der Rückströmung durch Verwendung eines Schwingungsdämpfers am Ansaugkanal

5. Problem: 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. Projektvorstellung

6. Modellierung 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 Ansaugsystems

7. Modellierung 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 Ansaugsystems

8. Modellierung des Problems: Ursprüngliche Modellierung des Geschwindigkeitsverlaufes am Ansaugkanal: Modellierung des Ansaugsystems

9. Modellierung 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. Modellierung des Ansaugsystems

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

11. Modellierung 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. Modellierung des Ansaugsystems

12. Turbolenzüberprüfung: 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: Modellierung des Ansaugsystems

13. Widerstandsbeiwert 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 Ansaugsystems

14. Modellierung des Schwingungsdämpfers als Feder-Masse-System Modellierung des Schwingungstilgers 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.

15. Modellierung des Schwingungsdämpfers als Feder-Masse-System Modellierung des Schwingungstilgers Kammer Als Pendant zur mechanischen Feder wird ein kompressibles Gasvolumen gewählt , die mechanische Masse entspricht der Gasmasse im Verbindungsschlauch . Schlauch

16. Modellierung des Schwingungsdämpfers als Feder-Masse-System Modellierung des Schwingungstilgers Deswegen folgt für die Resonanzfrequenz: mit: A ..Schlauchquerschnitt V1..Schlauchvolumen V2..Ausgleichskammervolumen

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

18. 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.

19. Überprüfung der Resonanzfrequenz des Schwingungstilgers • Sprungantwort des Schwingungstilgers

20. Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger • Das Modell: Schwingungs- tilger Vergaser als poröse Wand Umgebung Zylinder Ansaugkanal

21. Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger • Ansaugkanal ohne Schwingungstilger

22. Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger • Ansaugkanal ohne Schwingungstilger

23. Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger • Ansaugkanal mit Schwingungstilger bei der Resonanzfrequenz

24. Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger • Simulationsergebnis bei Anregung mit der Resonanzfrequenz

25. Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger • Ansaugkanal mit Schwingungstilger bei Anregung mit 60% der Resonanzfrequenz

26. Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger • Simulationsergebnis bei Anregung mit 60% der Resonanzfrequenz

27. Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger • Simulationsergebnis bei Anregung mit 85% der Resonanzfrequenz

28. Simulation des Ansaugkanals mit Schwingungstilger • Simulationsergebnis bei Anregung mit 115% der Resonanzfrequenz

29. 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....

30. Anhang • Yamaha YEIS-Paper siehe Attachment • Mapple-Sheet der Ansaugschwingung siehe Attachment