Development of an optical swirl sensor for DI-diesel engines

• Autorzy: Vanhaelst R. , Czajka J.

Warianty tytułu

PL

Rozwój optycznego czujnika zawirowania do silników o ZS z wtryskiem bezpośrednim

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper the systematic development of an optical swirl sensor to measure the swirl ratio in an operating serial turbocharged DI-diesel engine is described. The optical sensor detects the visible light of the combustion, in particular the emission of the sooting flame in a wavelength range from 600 nm up to 1000 nm. The acceptance angle is so small that the soot clouds from every spray can be detected as they are being turned under the optical sensor by the swirling flow. In a first part the new optical probe method was validated on a transparent engine by comparison with high speed video recordings. In the second part several hardware variations were made on a serial DI-diesel engine which was equipped with a variable swirl valve. The influence of the opened- and closed swirl valve constellation, the piston geometry and the injector influence on the swirl ratio was measured with the optical probe technique. The results were compared with a zero dimensional simulation model. There was a good agreement between the swirl measurements and the 0D-model. The optical swirl sensor has proven to be a powerful tool to optimize the combustion process. Without any modifications on the cylinder head, the effect of application parameters and hardware parts on the swirl strength can be quantified for all engine loads and speeds.

PL

W artykule opisano rozwój czujnika optycznego, który jest wykorzystywany do pomiarów stopnia zawirowania w pracującym silniku o ZS z wtryskiem bezpośrednim i turbodoładowaniem. Czujnik optyczny rejestruje widzialne światło spalania, w szczególności promieniowanie sadzy w płomieniu dyfuzyjnym w zakresie długości fal od 600 do 1000 nm. Kąt obserwacji czujnika optycznego jest wystarczająco mały do wykrycia ruchu obłoku promieniującej sadzy wywołanego przez zawirowanie ładunku w cylindrze, dla każdej strugi wtryskiwanego paliwa. W początkowej części artykułu nowa metoda badań czujnikiem optycznym została zweryfikowana na silniku transparentnym przez porównanie z wynikami obserwacji ruchu płomienia zarejestrowanymi za pomocą szybkiego filmowania. W dalszej części artykułu przedstawiono kilka zmian konstrukcyjnych wykonanych na seryjnym silniku o ZS typu DI, który został wyposażony w zawór wytwarzający zmienne zawirowanie obwodowe. Wpływ otwierania i zamykania tego zaworu oraz geometrii korony tłoka na stopień zawirowania ładunku określono przy wykorzystaniu techniki pomiarów optycznych. Otrzymane wyniki porównano z wynikami symulacji uzyskanymi dla modelu 0-wymiarowego. Stwierdzono zgodność wyników pomiarów zawirowania i symulacji modelu 0D. Optyczny czujnik zawirowania okazał się przydatnym narzędziem do optymalizowania procesu spalania. Wpływ parametrów regulacyjnych oraz elementów konstrukcyjnych na stopień zawirowania ładunku może być wyznaczony dla całego zakresu obciążenia i prędkości obrotowej silnika bez jakichkolwiek modyfikacji konstrukcyjnych głowicy silnika.

Słowa kluczowe

EN

swirl flow; direct-injection diesel engine; optical measurement techniques

PL

przepływ wirowy; silnik z wtryskiem bezpośrednim; techniki pomiarów optycznych

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Naukowe Silników Spalinowych
• Czasopismo: Silniki Spalinowe
• Rocznik: 2010
• Tom: R. 49, nr 4
• Strony: 45--59
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz.

Twórcy

autor

Vanhaelst R.

autor

Czajka J.

• University of Applied Sciences Braunschweig/Wolfenbuettel, Wolfsburg, Germany,

Bibliografia

• [1] Tippelmann G.: A new method of investigation for swirl ports. SAE Technical Paper Series 770404, 1977.
• [2] Abgasgesetzgebung der Europäischen Union PKW und leichte Nutzfahrzeuge (70/220/EWG)
• [3] Heywood J.B.: Internal combustion engine fundamentals. McGraw-Hill Book Co, 1988.
• [4] Kunte S, Boulouchos K, Hentschel W, Kallmeyer F, Cavalloni C, Karst D.: Optical indicating on combustion engines with smallest sensors. Proc. 10. Symp The Working Process of the Internal Combustion Engine, Graz, 2005.
• [5] Wolter T.: Optische Dralluntersuchung an einem TDI, Diploma Thesis, R&D Volkswagen AG, 2006, in German, not published.
• [6] Hentschel W.: Modern tools for diesel engine combustion investigation. 26. Symp (Int) on Combustion / The Combustion Institute, Naples, pp 2503-2515, 1996.
• [7] Hentschel W., Ohmstede G., Block G., Vanhaelst R., Schmerbeck S., Czajka I., Wislocki K., Karst D.: Multiple swirl flow analysis in a direct-injection diesel engine. Proc. 12. Int. Symp. on Flow Visualization, 10.-14. Sept. 2006, Göttingen.
• [8] Czajka I.: Zur Bestimmung des Dralls in Diesel Brennverfahren. Diploma thesis, VW Wolfsburg / TU-Poznan, 2005, in German, not published.
• [9] Steiger W., Kohnen C. New combustion systems based on a new fuel specification. Proc 26. Int. Vienna Engine Symp, pp 91-110 Vienna, 2006, in German.
• [10] LaVision. DaVis-Software, version 7, PIV-Module.
• [11] Rudolph F., Hadler J., Engler H.-J., Ropke S.: Der neue 2,01 4V TD1 mit Common-Rail - Modeme Dieseltechnologie von Volkswagen The New 2.01 4V TDI® with Common Rail - State of-the-Art Diesel Technology from Volkswagen, Volkswagen AG, Wolfsburg 2007.
• [12] Pischinger R., Kell M., Sams T.: Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine - Der Fahrzeugantrieb. Springer Wien New York,., 2002, in German. Proc Instn Mech Engrs Vol. 208, Part D: Journal of Automobile Engineering 1994.