DE3908542A1 - Vorrichtung zur untersuchung von verbrennungsvorgaengen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung von Verbrennungsvorgängen an Kraftstoff/Luft-Gemischen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im SAE-Paper 740114 ist eine Vorrichtung zur Untersuchung von Verbrennungsvorgängen an Kraftstoff/Luft-Gemischen, eine sogenannte Verbrennungsbombe, beschrieben. Ein Ge­ häuse bildet in seinem Inneren einen zylindrischen Brenn­ raum, der an beiden Endflächen durch eine Platte, im einen Fall zur Beobachtung der Verbrennung durch eine Quarz­ glasplatte, verschlossen ist. Im Gehäuse befinden sich Einrichtungen zum Zuführen des zu verbrennenden Kraft­ stoffs und der Luft, sowie Einrichtungen zum anschließen­ den Entleeren des Brennraums. Die eine Endplatte nimmt eine Zündeinrichtung auf. Der Verbrennungsablauf wird über einen im Gehäuse angeordneten Druckaufnehmer aufgezeich­ net. Außerdem enthält das Gehäuse noch ein Thermoelement zur Vorheizung. Zur Versuchsdurchführung wird Kraftstoff in den Brennraum eingegeben und dieser vorgewärmt. An­ schließend wird Verbrennungsluft unter Druck in den Brennraum eingeblasen und mit dem Kraftstoff vermischt. Nach erfolgter Durchmischung wird die Zündung eingeleitet und mit Hilfe eines Oszilloskops der vom Druckaufnehmer gemessene Verbrennungsdruck im Brennraum aufgezeichnet.

Die beschriebene Vorrichtung gestattet es zwar, unter­ schiedliche Kraftstoffe bezüglich ihres Verbrennungsver­ haltens mit Hilfe der Aufzeichnung des Verbrennungsdruckes im Brennraum zu untersuchen, nicht jedoch die Auswirkungen unterschiedlicher Brennraumformen oder Zündverfahren auf die Zündung und Verbrennung von Kraftstoff/Luft-Gemischen und die Untersuchung der Flammenausbreitung im Brennraum.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art derart auszugestalten, daß auf ein­ fache Weise die Auswirkungen unterschiedlicher Brennraum­ formen und Zündverfahren auf den Ablauf der Verbrennung untersucht und die Flammbewegung erfaßt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale ge­ löst. Weitere Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Untersuchung von Verbrennungsvorgängen in Kraftstoff/Luft-Gemischen besteht aus einer Bodenplatte sowie einer Deckplatte, die mit Hilfe eines dazwischenliegenden Ringelementes zu einer stationären Brennkammer verbunden sind. In den genannten Brennkammerteilen sind an den dafür geeigneten Stellen die Füll- und Entleerungseinrichtung, die Zündeinrichtung, Meßeinrichtungen und gegebenenfalls eine Heizeinrichtung vorgesehen. Die Brennkammerteile selbst sind z.B. durch Verschraubung miteinander verbunden. Durch einfaches Aus­ tauschen der einzelnen Brennkammerteile gegen anders ge­ formte Brennkammerteile läßt sich die Geometrie des Brennraumes verändern und somit deren Einfluß auf den Verbrennungsablauf untersuchen. So läßt sich die Brenn­ raumform durch entsprechend gestaltete Boden- und Deck­ platten ändern und die Deckplatte kann auch unterschied­ liche Zündeinrichtungen aufnehmen. Die Füll- und Entlee­ rungseinrichtung ist üblicherweise in dem in seiner Form unverändert gelassenen Ringelement angeordnet. Ein Druck­ aufnehmer zur Erfassung des zeitlichen Verlaufs des Ver­ brennungsdruckes in der Brennkammer kann an beliebiger Stelle in der Brennkammer angeordnet sein. Die Ausbreitung der Flammenfront im Brennraum kann mit Hilfe von Ionisa­ tionssonden untersucht werden, die an unterschiedlichen Stellen der Brennkammer, d.h. also in der Bodenplatte, dem Ringelement und in der Deckplatte, vorgesehen werden kön­ nen. Eine Ionisationssonde im Ringelement weist noch den Vorteil auf, daß es möglich ist, diese Sonde ohne zu großen Aufwand auf einem Sondenträger in ihrer relativen Lage im Brennraum zu verändern, so daß die Erfassung der Ausbreitung der Flammenfront an nahezu allen Stellen im Brennraum durchgeführt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei nachstehend an­ hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Un­ tersuchung von Verbrennungsvorgängen mit scheibenförmigem Brennraum und einer Zünd­ kerze als Zündeinrichtung,

Fig. 2 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit scheibenförmigem Brennraum und einer Zünd­ kammer mit Zündkerze als Zündeinrichtung,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform der Erfindung mit omega-förmigem Brennraum und Zündkammer,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit elektrischer Heizeinrichtung und

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach dem Vorkammer-Prinzip.

In der Fig. 1 werden eine Bodenplatte 1 und eine Deck­ platte 2 über ein Ringelement 3 mit Dichtelementen 4 z.B. über eine hier der Übersichtlichkeit halber nicht darge­ stellte Verschraubung miteinander verbunden und bilden eine erfindungsgemäße Brennkammer mit scheibenförmigem Brennraum 5. Dieser Brennraum 5 wird über eine Füll- und Entleerungseinrichtung 6, die im Ringelement 3 angeordnet ist, mit dem Kraftstoff/Luft-Gemisch gefüllt. Das Gemisch wird anschließend mittels einer aus einer Zünkerze 7 be­ stehenden Zündeinrichtung 8, die in die Deckplatte 2 ein­ gesetzt und mit dieser verschraubt (9) ist, gezündet. Ge­ genüber der Zündkerze 7 in der Bodenplatte 1 ist eine auswechselbare Prallplatte 10 angeordnet und mit der Bo­ denplatte 1 über eine Verschraubung 11 verbunden. Der während der Verbrennung herrschende Verbrennungsdruck im Brennraum 4 wird mit Hilfe eines Druckaufnehmers 12, der in der Deckplatte 2 veschraubt ist, gemessen und gibt so­ mit Aufschluß über den Verbrennungsvorgang. Außerdem sind Ionisationssonden 13 im Brennraum 4 räumlich verteilt an­ geordnet, mit deren Hilfe die Ausbreitung der Flammenfront untersucht werden kann. Diese Ionisationssonden 13 sind in diesem Ausführungsbeispiel in der Bodenplatte 1 und im Ringelement 3 angeordnet, können jedoch genauso in der Deckplatte 2 vorgesehen werden. Desweiteren ist es denk­ bar, die im Ringelement 3 vorgesehene Sonde 13 auf einem geeignet ausgebildeten Trägerteil anzubringen, das z.B. über ein Schraubgewinde in den Brennraum 5 gefahren werden kann. Auf diese Weise könnten Messungen mit den Ionisati­ onssonden 13 an nahezu jeder Stelle im Brennraum 5 durch­ geführt werden.

Wie in Fig. 1 ist auch in Fig. 2 eine erfindungsgemäße Brennkammer mit scheibenförmigem Brennraum 5 zu sehen. Auch sind in Fig. 2, soweit sie übereinstimmen, die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. So ist mit 1 die Bodenplatte bezeichnet, welche zusammen mit dem Ringelement 3 und der Deckplatte 2 die Brennkammer bilden. Im Unterschied zu Fig. 1 sind diese drei Brennkammerteile nicht unmittelbar zusammengesetzt, sondern zwischen Bo­ denplatte 1 und Ringelement 3 bzw. zwischen Ringelement 3 und Deckplatte 2 ist je ein Zwischenring 14 bzw. 15 ein­ gesetzt, die den Brennraum 5 entsprechend ihrer Dicke in seiner Höhe vergrößern. Ansonsten bleibt jedoch die Scheibenform des Brennraumes 5 erhalten. Die Füllung und Entleerung des Brennraumes 5 erfolgt wiederum durch die Einrichtung 6 und die Kontrolle des Verbrennungsablaufes mittels des Druckaufnehmers 12 und der Ionisationssonden 13. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel die Zündung nicht direkt über die in der Zündeinrichtung 8 angeordnete Zündkerze 7, sondern die Zündeinrichtung 8 weist zusätz­ lich noch eine Zündkammer 16 auf, die als Einsatz 17 zu­ sammen mit der Zündeinrichtung 8 in die Deckplatte 2 ein­ gesetzt und mit dieser über die Verschraubungen 9 verbun­ den wird. Durch den Einsatz dieser Zündkammer 16 kann an dieser Brennkammer auch der Einfluß der Ausgestaltung ei­ ner Zündeinrichtung auf den Verbrennungsablauf untersucht werden. Wie außerdem dieser Figur noch zu entnehmen ist, kann die Zündeinrichtung 8 selbst mittels eines Zwischen­ ringes 18 mit ihrem Zündkanal 19 aus dem Brennraum 5 her­ ausgehoben sein. Über die Lage und Auführung der Meßsonden 12 und 13 gilt das schon im ersten Ausführungsbeispiel Erwähnte.

Fig. 3 stellt in einer anderen Ausführungsform der Er­ findung ebenfalls eine Vorrichtung zur Untersuchung von Verbrennungsvorgängen dar. Auch hier wurden die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 verwendet. Die Bodenplatte 1 und die Deckplatte 2 sind jedoch so ausge­ bildet, daß sie zusammen mit dem Ringelement 3 einen omega-förmigen Brennraum 5 bilden. Ebenso ist der früher schon erwähnte Prallkörper 10 gegen einen Prallkörper ausgewechselt, der sich an die Form des Brennraums anpaßt und gegenüber dem Zündkanal 19 der Zündeinrichtung 8 liegt. Auf diese Weise ist es möglich, durch einfaches Auswechseln der Bodenplatte und der Deckplatte Brennräume der verschiedensten Formen bezüglich ihrer Eigenschaften bei der Verbrennung zu untersuchen. Ebenfalls ist hier gezeigt, daß die Ionisationssonden 13 nicht nur in der Bodenplatte 1 und im Ringelement 3 angeordnet sein müssen, sondern daß es auch möglich ist, dieselben in der Deck­ platte 2 vorzusehen. Die Zündeinrichtung 8 mit der Zünd­ kammer 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht - wie in der Fig. 2 gezeigt - mit ihrer Zündkammer 16 durch einen Zwischenring aus dem Brennraum herausgehoben, sondern der Zündkanal 19 schließt bündig mit der Brennraumoberfläche der Deckplatte 2 ab.

In Fig. 4 ist eine Brennkammer mit scheibenförmigem Brennraum 5 und Zündeinrichtung 8 mit Zündkammer 16 gemäß Fig. 2 zu sehen. Im Unterschied zu dem Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 2 sind jedoch die Bodenplatte 1 und das Ringelement 3 durch eine andere Ausführungsform ersetzt, die eine Heizplatte 20 aufnehmen. Diese Heizplatte 20 liegt auf elektrischen Heizwendeln 21 auf, die ihrerseits wiederum auf einer in der Bodenplatte 1 eingebetteten diese gegen die Heizwendeln 21 isolierenden Keramikplatte 22 aufliegt. Die Heizwendeln 21 sind über eine Zuleitung 23 an einer hier nicht dargestellten Stromversorgung an­ geschlossen. Über einen Meßfühler 24 kann die Temperatur an der Heizplatte 20 bestimmt werden. Die Heizplatte 20 wird durch am Ringelement 3 angebrachte Halterungen 25 auf die Heizwendeln 21 gedrückt und in ihrer Lage gehalten. Bedingt durch die Lage der Heizplatte 20 können die Ioni­ sationssonden 13 nicht in der Bodenplatte 1 vorgesehen werden, sondern müssen in die Deckplatte 2 verlegt werden. Wie in der Zeichnung angedeutet, sind die in der Deck­ platte 2 angebrachten Sonden in ihrer Ausführung leicht unterschiedlich zu den bisher gezeigten Sonden bzw. zu der im Ringelement 3 vorgesehenen Sonde. Sie sind derart ab­ geändert, daß die Meßelektroden weit in den Brennraum hineinreichen und daß somit die Flammenausbreitung an der Oberfläche der Heizplatte 20 untersucht werden kann.

Fig. 5 stellt eine Abwandlung der bisher gezeigten Aus­ führungen dar, bei der die Brennkammer mit einer Vorkammer 26, wie sie zur Untersuchung von Verbrennungsvorgängen bei luftverdichtenden Brennkraftmaschinen verwendet wird, versehen wurde, die in der Deckplatte 2 integriert ist. Der sonstige Aufbau der Brennkammer aus Bodenplatte 1 und Ringelement 3 entspricht den bisherigen Ausführungsformen. Wie schon in Fig. 2 gezeigt, kann die Höhe des Brennraumes 5 durch Einsetzen eines Zwischenrings 14 va­ riiert werden. Aus räumlichen Gründen sind sämtliche Meß­ aufnehmer, d.h. der Druckaufnehmer 12 und die Ionisati­ onssonden 13 in der Bodenplatte 1 angeordnet. Zusätzlich zum Druckaufnehmer 12 ist ein zweiter Druckaufnehmer 27 vorgesehen, der den Druckverlauf während der Verbrennung in der Vorkammer 26 aufnimmt. Über die Füll- und Entlee­ rungseinrichtung 6 wird in diesem Fall nicht das Kraft­ stoff/Luft-Gemisch, sondern nur die Verbrennungsluft in den Brennraum 5 eingeblasen, während das brennfähige Ge­ misch ausschließlich über das Einlaßventil 28 in die Vor­ kammer 26 gelangt, in der es mit Hilfe der Zündkerze 7 gezündet wird. Nach der Zündung wird, über einen Hubma­ gneten 29 gesteuert, das Ventil 30 geöffnet, so daß der Zündstrahl über den Kanal 31 und seine Öffnungen 32, von denen die mittlere der mit der Bodenplatte 1 verschraubten (11) Prallplatte 10 gegenüberliegt, in den Brennraum 5 gelangt. Das verbrannte Gemisch wird, wie auch bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung, über die kombinierte Füll- und Entleerungseinrichtung 6 aus dem Brennraum 5 gefördert.

Wie in den beschriebenen Ausführungsbeispielen gezeigt, erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Untersuchung von Verbrennungsvorgängen unterschiedlicher Art. Durch einfaches Austauschen von Brennkammerteilen in einer Art Baukastenprinzip ist es möglich, die Brennraumgeometrie in unterschiedlichster Weise zu gestalten bzw. das Zündver­ fahren zu verändern. So ist sowohl die Untersuchung von Verbrennungsvorgängen wie sie bei gemischverdichtenden Brennkraftmaschine stattfinden möglich, als auch solcher bei luftverdichtenden Brennkraftmaschinen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher keineswegs auf die genannten Ausführungsbeispiele begrenzt, sondern ist auch für andere, hier nicht beschriebene, Ausführungsbeispiele denkbar.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Untersuchung von Verbrennungsvorgängen an Kraftstoff/Luft-Gemischen, bestehend aus einer Brenn­ kammer, die aus einer Bodenplatte, einer Deckplatte und einem die Seitenwände zwischen Bodenplatte und Deckplatte bildenden Ringelement gebildet ist, wobei die Vorrichtung mit einer Zündeinrichtung, einer Heizeinrichtung, Ein­ richtungen zum Befüllen und Entleeren der Brennkammer so­ wie Sensoren zum Erfassen des Brennverlaufs versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammergeometrie durch Austausch der einzelnen Brennkammerteile veränderbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung (8) in der Deckplatte (2) ange­ ordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung (8) aus einer Zündkerze (7) be­ steht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung (8) aus einer Zündkammer (16) mit Zündkerze (7) besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung (8) aus einer Vorkammer (26) mit Zündkerze (7) besteht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (6) zum Befüllen und Entleeren der Brennkammer (5) vorzugsweise im Ringelement (3) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Deckplatte (2) ein Fühler (12) zur Aufnahme des Drucks in der Brennkammer (5) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bodenplatte (1) ein Fühler (12) zur Aufnahme des Drucks in der Brennkammer (5) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Deckplatte (2) Sonden (13) zur Erfassung des Brennverlaufs in der Brennkammer (5) angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bodenplatte (1) Sonden (13) zur Erfassung des Brennverlaufs in der Brennkammer (5) angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Ringelement (3) Sonden (13) zur Erfassung des Brennverlaufs in der Brennkammer (5) angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (13) im Ringelement (3) variabel in ihrer Lage im Brennraum (5) ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonden (13) zur Erfassung des Brennverlaufs Ioni­ sationssonden sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bodenplatte (1) ein austauschbarer Prallkörper (10) für den Zündstrahl vorgesehen ist.