Untersuchung der Strömung und Verbrennung in einer Zündwirbelkammer

Diese Arbeit diente der Untersuchung des Einström- und Ver- brennungsvorgangs in eine Zündwirbelkammer (WK) und deren Einfluß auf die Verbrennung im Hauptbrennraum. Dazu wurde eine spezielle Versuchsanlage (Einhubtriebwerk Abb. 2.1) entwickelt und aufgebaut. Durch eine geeignete Konstruktion der Zylinderköpfe war ein allseitiger Einblick in die Zünd- wirbelkammer möglich, sodaß sowohl die Flammenausbreitung im Eigenleuchten der Flamme als auch Schlierenaufnahmen der Vorgänge in der WK ermöglicht wurden. Filmaufnahmen konnten aus zwei verschiedenen Richtungen synchron mit zwei Hochge- schwindigkeitskameras aufgenommen werden, sodaß ein räum- licher Eindruck der Flammenausbreitung in der WK gewonnen werden konnte. Durch die Bauweise der Zylinderköpfe ohne Ventiltrieb war es möglich, die Vorgänge in der WK und im Hauptbrennraum abzutrennen von den Einflüssen durch An- saugkrümmer und Ventile. Die axiale und tangentiale Ge- schwindigkeit während des Einströmvorganges in die WK wurde an 20 verschiedenen diskreten Meßorten mit Hilfe eines Zweikanal-LaserDoppler-Anemometers vermessen. Desweiteren wurde der zeitliche Verlauf der Drücke in Wirbelkammer und Hauptbrennraum aufgezeichnet. Daraus konnten mit Hilfe eines im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Programms zur Brenn- funktionsberechnung für den Zweikammerbrennraum unter Be- rücksichtigung des Uberströmvorganges Aussagen über den Abbrand in beiden Brennräumen gewonnen werden. Mit ausge- wählten Ergebnissen wurde eine Korrelation zwischen den aus den Druckmessungen gewonnenen Daten und den Hochgeschwindig- keitsfilmaufnahmen vorgenommen. Dadurch konnten für die Flammenausbreitung in der WK wichtige Größen wie turbulente Flammendicke und turbulente Flammengeschwindigkeit ermittelt werden. Dazu wurden die folgenden Parameter variiert:
- Volumenverhältnis VWK / VOT
- Lage des Zündortes in der Wirbelkammer
- Anzahl und Lage der Uberströmkanäle zwischen WK und Haupt- brennraum
- Geometrie der Wirbelkammer.

Die Untersuchungen lieferten folgende Ergebnisse. Bei zylin- drischen Wirbelkammern ist die Zündverzugszeit für den Hauptbrennraum am kürzesten, wenn der Zündort im hinteren Bereich der Wirbelkammer liegt. Das mit zylindrischen Wir- belkammern erreichbare Druckmaximum ist bei dieser Lage des Zündortes ebenfalls am größten. Die abgestufte Wirbelkammer erzeugt die größten Maximaldrücke bei nochmals deutlich verringerter Zündverzugszeit. besonders dann, wenn sie mit einem zusätzlichen zentralen Schußkanal ausgerüstet ist. Es entsteht eine kräftige und schnelle Erstentflammung des Hauptbrennraumes mit lang anhaltendem Uberströmvorgang.

Mit den Filmaufnahmen konnte die schnelle Flammenausbreitung in der Wirbelkammer registriert werden. Es macht sich bei der Wirbelkammer mit Zentralbohrung unmittelbar nach der Zündung eine Art Flammenhalteeffekt an der Zündstelle be- merkbar. Danach bewegt sich die Flammenfront spiralförmig zur Mittelachse und breitet sich auch in axialer Richtung sehr schnell aus. Bei einer Wirbelkammer ohne Zentralbohrung läuft die Flamme ebenfalls nach innen und rotiert im Zentrum bei nur kleiner axialer Ausbreitungsgeschwindigkeit.

Die mit Hilfe des LDA gewonnenen Ergebnisse über den Ein- strömvorgang konnten zeigen, daß bei einer Wirbelkammer ohne Zentralbohrung die Tangentialkomponente der Geschwindigkeit überwiegt und die axiale sehr klein ist. Die Versuche mit einer zusätzlichen Zentralbohrung zeigten eine Uberlagerung der Drallstömung mit einem axialen Sekundärwirbel, die auf einen optimalen Zündort im hinteren Kammerteil hinweisen.

Mit der aus diesen Untersuchungen als beste Lösung gefunde- nen Wirbelkammer wurden Abmagerungsversuche unternommen. Dabei ergab sich eine Verschiebbarkeit der Magergrenze zu größeren ?-Werten hin im Vergleich mit den üblichen fremdge- zündeten Motoren. So konnte das Gemisch einwandfrei bis ? = 2 gezündet werden. Es stellte sich heraus. daß im Mager- betrieb eine Entflammung der Wirbelkammer immer auch zu einer hinreichend vollständigen Verbrennung des Gemisches im Hauptbrennraum führt.