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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckgasprüfvorrichtung, insbesondere zur Erprobung von Abgasanlagenkomponenten wie Turboladern.
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Derartige Druckgasprüfvorrichtungen dienen beispielsweise zur Simulation der Dynamik eines von einem Verbrennungsmotor mit Hubkolbenantrieb ausgestoßenen Abgases. Grundsätzlich können zur Erprobung von Abgasanlagenkomponenten auch die tatsächlich zum Einsatz gelangenden Verbrennungsmotoren verwendet werden, allerdings ist diese Vorgehensweise recht kostspielig. Effizienter ist es, eine Druckgasprüfvorrichtung bereitzustellen, die einen Gasstrom mit vergleichbarer Dynamik erzeugt, der zur realitätsnahen Erprobung der genannten Komponenten genutzt werden kann. Herkömmliche Druckgasprüfvorrichtungen umfassen eine einen kontinuierlichen Gasmassenstrom erzeugende Druckgasquelle und eine Druckgasleitung zum Zuführen des Druckgases zu der zu prüfenden Abgasanlagenkomponente. In die Druckgasleitung ist eine Einrichtung zur Umwandlung des kontinuierlichen Gasmassenstroms in einen gepulsten Gasmassenstrom eingeschaltet.
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Bekannte Druckgasprüfvorrichtungen der eingangs genannten Art sind allerdings entweder relativ aufwendig oder sie bilden die Charakteristik des zu erwartenden Abgasstroms nur in unzureichender Form nach, so dass die Erprobung der Abgasanlagenkomponenten nicht die erforderliche Praxisnähe aufweist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Druckgasprüfvorrichtung zu schaffen, die auf einfache und kostengünstige Art die realitätsnahe Nachbildung eines zeitlich variablen Gasmassenstroms – insbesondere eines durch eine Verbrennungskraftmaschine erzeugten Abgasstroms – ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Druckgasprüfvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß weist die Einrichtung zur Umwandlung des kontinuierlichen Gasmassenstroms in einen zeitlich variierenden, insbesondere gepulsten Gasmassenstrom ein Gehäuse mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung sowie einen in dem Gehäuse drehbar gelagerten Absperrkörper auf. Der Absperrkörper ist derart drehbar gelagert, dass er in Abhängigkeit von seiner Drehstellung einen variablen Durchflussquerschnitt zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung definiert.
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Mit anderen Worten kann durch einen drehbar gelagerten Absperrkörper der Durchflussquerschnitt der Einrichtung verändert werden, um beispielsweise entsprechenden Charakteristika eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors Rechnung tragen zu können. Insbesondere lassen sich so sich zyklisch wiederholende Gasmassenstromvariationen auf einfache Weise nachbilden.
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Es können Mittel vorgesehen sein, durch welche der Absperrkörper zu einer kontinuierlichen Drehbewegung angetrieben wird. Der Absperrkörper ist demnach so ausgebildet, dass die zeitliche Variation des Gasmassenstroms, der der zu prüfenden Abgasanlagenkomponente zugeführt wird, durch eine kontinuierliche Drehbewegung des Absperrkörpers erzeugt wird. Dies erleichtert den Betrieb der Druckgasprüfvorrichtung, da keine Lastwechsel beim Antrieb des Absperrkörpers auftreten.
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Konstruktiv einfach und kompakt ist eine Ausführungsform der Druckgasprüfvorrichtung, bei der die Drehachse des Absperrkörpers quer, insbesondere senkrecht zu der Strömungsrichtung des Gasflusses durch die Einlassöffnung angeordnet ist.
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Zwar kann eine Außenkontur des Absperrkörpers so ausgebildet sein, dass durch seine Verdrehung eine Umwandlung des in die Einrichtung einströmenden kontinuierlichen Gasmassenstroms in einen zeitlich variablen ausströmenden Gasmassenstrom erfolgt; in vielen Fällen ist es jedoch vorteilhaft, wenn der Absperrkörper alternativ oder zusätzlich einen Durchlasskanal aufweist, dessen Längserstreckung insbesondere senkrecht zu der Drehachse des Absperrkörpers angeordnet ist.
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Der Durchlasskanal kann die Drehachse des Absperrkörpers kreuzen, um ein Trägheitsmoment des Absperrkörpers zu minimieren, was sich vorteilhaft auf dessen Lagerung auswirkt.
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Grundsätzlich kann der Durchlasskanal einen beliebigen Querschnitt aufweisen. Eine rechteckige Querschnittsform hat sich jedoch in vielen praxisrelevanten Fällen als vorteilhaft erwiesen, da sie eine einfachere Simulierung des Abgasstroms ermöglicht.
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Es versteht sich, dass je nach Anforderungsprofil auch zwei oder mehrere Durchlasskanäle vorgesehen sein können, die gleichartig oder unterschiedlich ausgebildet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Absperrkörper kreiszylinderförmig ausgebildet. Das heißt, er besitzt im Wesentlichen die Form einer Walze. Die Wahl einer Walze als Absperrkörper vereinfacht die Konstruktion der Einrichtung, da beispielsweise die Außenkontur des Absperrkörpers und die Innenkontur des Gehäuses rotationssymmetrisch ausgebildet sein können.
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Je nach Anforderungsprofil kann ein Druckluft-, ein Elektro- oder ein Verbrennungsmotor zum Antreiben des Absperrkörpers zu einer Drehbewegung vorgesehen sein. Solche Motoren sind kostengünstig und erlauben auf einfache Weise einen steuerbaren Antrieb des Absperrkörpers. Grundsätzlich kann der Motor direkt mit dem Absperrkörper in antriebswirksamer Verbindung stehen. Bevorzugt ist er jedoch über ein Getriebe mit dem Absperrkörper antriebswirksam verbunden. Durch das Getriebe kann die erforderliche Unter- oder Übersetzung einer Drehbewegung des Antriebsmotors erzeugt werden, so dass dieser in einem effizienten Drehzahlbereich betrieben werden kann.
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Das Gehäuse der Einrichtung kann zumindest teilweise von einem thermisch isolierenden Außengehäuse umgeben sein, das insbesondere eine keramische Dämmschicht aufweist, um eine übermäßige Wärmeabgabe bei Betrieb der Gasprüfvorrichtung zu vermeiden, insbesondere wenn diese mit Heißgas betrieben wird. Zwischen dem Gehäuse und dem Außengehäuse können Ausgleichsmittel vorgesehen sein, um unterschiedliche Wärmeausdehnungen des Innengehäuses und des Außengehäuses zu kompensieren.
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Das Außengehäuse kann Lager zur Lagerung des Absperrkörpers aufweisen. Die Lager des Außengehäuses können zusätzlich oder alternativ zu entsprechenden Lagern an dem Gehäuse der Einrichtung vorgesehen sein.
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Insbesondere wenn die Druckgasprüfvorrichtung mit einem heißen Gasmassenstrom betrieben wird, kann es vorteilhaft sein, wenn das Außengehäuse zumindest abschnittsweise, insbesondere im Bereich von Lager zur Lagerung des Absperrkörpers, aktiv gekühlt ist. Die Kühlung kann beispielsweise eine Flüssigkeitskühlung, insbesondere ein Wasserkühlung sein. Durch die Kühlung der Lager werden diese geschützt und deren Verschleiß minimiert.
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Neben einer geeigneten Ausgestaltung des Absperrkörpers kann auch eine Geometrie der Einlassöffnung und/oder der Auslassöffnung des Gehäuses der Einrichtung dazu beitragen, dass der gewünschte gepulste Gasmassenstrom erzeugt wird. Zu diesem Zweck können die Einlassöffnung und/oder die Auslassöffnung des Gehäuses eine Blende mit zumindest einer Blendenöffnung aufweisen, die die Geometrie der Einlassöffnung bzw. der Auslassöffnung definiert, wobei die Blende insbesondere lösbar am Gehäuse befestigt ist. Eine solche Blende lässt sich einfach herstellen und ermöglicht auf effiziente Weise eine Beeinflussung des dem Absperrkörper zuströmenden Gasmassenstroms bzw. des aus dem Gehäuse abströmenden Gasmassenstroms.
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Insbesondere ist die Querschnittsfläche des Durchlasskanals des Absperrkörpers kleiner als die Fläche der Blendenöffnung oder als die Summe der Flächen mehrerer, insbesondere aller Blendenöffnungen. Die Geometrie des Durchlasskanals und der Blendenöffnung oder der Blendenöffnungen sowie die Drehbewegung des Absperrkörpers können so aufeinander abgestimmt sein, dass ein gewünschter gepulster Gasmassenstrom erzeugt wird. Mit anderen Worten stehen zumindest drei Parameter zur Verfügung, die es erlauben, die gewünschte Dynamik des Gasmassenstroms zu erzeugen. So kann die Drehbewegung des Absperrkörpers auf einfache Weise durch eine Steuerung der Drehgeschwindigkeit des Absperrkörpers erreicht werden. Eine Änderung der Geometrie der Blendenöffnung bzw. der Blendenöffnungen kann z. B. durch ein Auswechseln der Blende erreicht werden. Es ist auch möglich, dass die Blende variable Segmente aufweist, die eine Anpassung der Blendenöffnungsgeometrie ermöglichen. Gleiches gilt in analoger Form für die Geometrie des Durchlasskanals. Beispielsweise kann die Geometrie des Durchlasskanals durch auswechselbare Einsätze verändert werden.
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In der Praxis hat es sich als effizient erwiesen, die zumindest eine Blendenöffnung schlitzartig auszubilden. Es können beispielsweise auch zwei schlitzartige Blendenöffnungen vorgesehen sein, die miteinander in Verbindung stehen. Unter ”schlitzartig” ist nicht ausschließlich eine rechteckige Formgebung zu verstehen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Druckgasprüfvorrichtung zumindest zwei Druckgasleitungen, in die jeweils eine Einrichtung zur Umwandlung des kontinuierlichen Gasmassenstroms in einen zeitlich variierenden, insbesondere gepulsten Gasmassenstrom eingeschaltet ist, wobei die Druckgasleitungen in Bezug auf die Druckgasquelle und die zu prüfende Abgasanlagenkomponente parallel geschaltet sind. Insbesondere sind entsprechend der zu simulierenden Zylinderanzahl mehrere parallele Druckgasleitungen mit eingeschalteten Einrichtungen der beschriebenen Art vorgesehen, um einen möglichst realitätsnahen Gasmassenstrom zu erzeugen. Durch eine gemeinsame Getriebeeinheit zum Antreiben der Absperrkörper der Einrichtungen zu Drehbewegungen kann sichergestellt werden, dass die Drehbewegungen in einem festen Verhältnis zueinander stehen. Dies ermöglicht beispielsweise eine Simulation einer Zündfolge des zu simulierenden Verbrennungsmotors. Die Absperrkörper der Einrichtungen sind insbesondere seriell mit der Getriebeeinheit antriebswirksam gekoppelt.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen angegeben.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine Ausführungsform einer Einrichtung zur Umwandlung eines kontinuierlichen Gasmassenstroms in einen zeitlich variierenden, insbesondere gepulsten Gasmassenstrom in einer Perspektivansicht,
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2 die Einrichtung der 1 in einer Frontansicht,
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3 eine Ausführungsform eines Gehäuses der genannten Einrichtung,
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4 eine Ausführungsform eines Absperrkörpers,
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5 und 6 verschiedene Ausgestaltungen einer Blende zur Festlegung der Geometrie einer Einlassöffnung der Einrichtung,
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7 Schemazeichnungen zur Verdeutlichung der Funktionsweise der Einrichtung und
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8 eine Darstellung der zeitlichen Variation eines beispielhaften Gasmassenstroms.
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1 zeigt einen Pulsationserzeuger 10, durch den ein im Wesentlichen konstanter Gasmassenstrom, der durch einen Einlassstutzen 12 in den Pulsationserzeuger 10 einströmt, in einen zeitlich variierenden Gasmassenstrom umgewandelt wird, der den Pulsationserzeuger 10 durch einen Auslassstutzen 14 verlässt. Der Einlassstutzen 12 ist mit einer nicht gezeigten Druckgasquelle verbunden, die einen bestimmten konstanten Gasmassenstrom bereitstellt, der an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann. Der Gasmassenstrom weist insbesondere eine typischerweise in einem Abgasstrom zu erwartende Temperatur auf. Der Auslassstutzen 14 ist mit einer ebenfalls nicht gezeigten Abgasanlagenkomponente verbunden, deren Eigenschaften und Leistungsparameter geprüft werden sollen. Eine solche Abgasanlagenkomponente ist beispielsweise ein Turbolader.
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Der Pulsationserzeuger 10 umfasst ein Innengehäuse 16, das an vier Seiten von einem Außengehäuse 18 umgeben ist. Dem Außengehäuse 18 ist eine thermisch isolierende Dämmschicht 20 zugeordnet, die dem Innengehäuse 16 zugewandt ist. Die Dämmschicht 20 ist beispielsweise aus einem keramischen Material gefertigt. Das Außengehäuse 18 weist zudem Kühlmittelleitungsanschlüsse 22, 22' auf, durch die den in 1 oben bzw. unten angeordneten Seitenwänden 24a bzw. 24b des Außengehäuses 18 Kühlmittel, beispielsweise Wasser, zuführbar ist. Das Kühlmittel strömt durch Kanäle im Inneren der Seitenwände 24a, 24b, um diese selbst und an ihnen angeordnete Lagereinrichtungen 26a, 26b zu kühlen. Die Lagereinrichtungen 26a, 26b lagern einen in 1 nicht sichtbaren Absperrkörper, der im Inneren des Innengehäuses 16 angeordnet ist. Der Absperrkörper ist durch die Lagereinrichtungen 26a, 26b drehbar gelagert. In Abhängigkeit von seiner Drehstellung kann ein für den Gasmassenstrom relevanter Durchflussquerschnitt zwischen den Stutzen 12, 14 verändert werden. Um den Absperrkörper zu einer Drehbewegung antreiben zu können, sind Zahnräder 28a, 28b vorgesehen, die wiederum von einer Motoreinrichtung (nicht gezeigt) angetrieben werden.
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2 zeigt den Pulsationserzeuger 10 der 1 in einer Ansicht von vorne. Durch die Öffnung des Einlassstutzens 12 ist ein Ausschnitt des Inneren des Pulsationserzeugers 10 erkennbar, etwa eine Blende 30 und ein Absperrkörper 32 mit einer Durchlassöffnung 34. Die genannten Komponenten werden nachfolgend nochmals anhand der 3 bis 6 näher erläutert.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Innengehäuses 16 und des Außengehäuses 18. Das Innengehäuse 16 ist wie in 1 an vier Seiten von dem Außengehäuse 18 umschlossen. Es weist eine Einlassöffnung 36 und eine Auslassöffnung 38 auf. Die Innengeometrie des Innengehäuses 16 entspricht – bei Vernachlässigung der Öffnungen 36, 38 – in einer Schnittebene parallel zu den Öffnungen 36, 38 im Wesentlichen einem Rechteck, während die Geometrie in einer Schnittebene senkrecht dazu kreisförmig ist. Das Innengehäuse 16 weist an zwei seitlichen Wänden jeweils eine Bohrung 40 auf, durch die ein Achsabschnitt eines an dem Außengehäuse 18 gelagerten Absperrkörpers 32 geführt werden kann.
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Wenn der Pulsationserzeuger 10 mit einem heißen Gasmassenstrom beaufschlagt wird, so heizt sich das Innengehäuse 16 in erheblichem Maß auf. Damit die Umgebung und insbesondere die Lagereinrichtungen 26a, 26b nicht übermäßig aufgeheizt werden, ist das Außengehäuse 18 von dem Innengehäuse 16 thermisch entkoppelt, beispielsweise durch die in 1 gezeigte Dämmschicht 20. Grundsätzlich ist jedoch auch eine geeignete Luftspaltisolierung möglich. Zwischen den Gehäusen 16, 18 können Ausgleichselemente vorgesehen sein, die die unterschiedliche Temperaturausdehnungen der Gehäuse 16, 18 kompensieren.
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4 zeigt eine mögliche Ausführungsform des Absperrkörpers 32. Er umfasst eine zylinderförmige Walze 42, die an ihren Stirnseiten mit Wellenabschnitten 44 versehen ist. Die Wellenabschnitte 44 dienen zur Lagerung des Absperrkörpers 32 in den Lagereinrichtungen 26a, 26b des Außengehäuses 18. An den Wellenabschnitten 44 sind auch die Zahnräder 28a, 28b zum Antrieb des Absperrkörpers 32 befestigt. Die Walze 42 ist mit der Durchlassöffnung 34 versehen.
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In einem montierten Zustand des Pulsationserzeugers 10 ist die Walze 42 im Inneren des Innengehäuses 16 der 3 angeordnet. Wenn die schlitzartige Durchlassöffnung 34 in einer horizontalen Ebene angeordnet ist, kann der dem Pulsationserzeuger 10 zugeführte Gasmassenstrom von der Einlassöffnung 36 zu der Auslassöffnung 38 strömen. Verdreht man jedoch die Walze 42 beispielsweise um 90°, dann sind die Öffnungen 36, 38 durch die Mantelfläche der Walze 42 versperrt. Durch eine kontinuierliche Drehbewegung des Absperrkörpers 32 wird somit ein zyklisches Öffnen und Sperren eines Durchflussquerschnitts des Pulsationserzeugers 10 bewirkt. Aus einem gleichmäßigen Gasmassenstrom wird dadurch ein impulsbeaufschlagter oder dynamischer Gasmassenstrom.
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Um die Charakteristik des aus dem Pulsationserzeuger 10 ausströmenden Gasmassenstroms möglichst realitätsnah zu gestalten, kann an der Einlassöffnung 36 die Blende 30 vorgesehen sein, die ansatzweise in 2 zu sehen ist und die deutlicher in 5 gezeigt ist. Sie wird in die Einlassöffnung 36 eingesetzt und dort befestigt. Sie definiert durch ihre Ausgestaltung die Geometrie des für den Gasmassenstrom relevanten Durchflussquerschnitts der Einlassöffnung 36. Die Blende 30 weist zwei Schlitze 46, 46' mit unterschiedlicher Länge und Breite auf, die durch eine Verbindungsöffnung 48 miteinander in Verbindung stehen.
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6 zeigt eine Blende 30', die zwei Schlitze 46'', 46''' aufweist, deren jeweilige Form von einem Rechteck abweicht. Dies wird durch einen in einem Mittelbereich verbreiterten Steg 50 zwischen den Schlitzen 46'', 46''' erreicht.
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Die Funktionsweise des Pulsationserzeugers 10 wird nachfolgend anhand der 7 und 8 erläutert. 7 zeigt im oberen Bereich schematisch einen Absperrkörper 32' mit einem Durchmesser D von 56 mm. Es versteht sich, dass dieser Wert rein beispielhaft angegeben ist und beliebig an die jeweils vorliegenden Bedingungen angepasst werden kann. Die Durchlassöffnung 34 des Absperrkörpers 32' wird durch eine Breite B und eine Höhe H definiert.
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Zur Erzeugung eines gewünschten gepulsten Gasmassenstroms wirkt der Absperrkörper 32' mit einer Blende 30'' zusammen, deren Schlitze 46a und 46b durch die Höhen h1 bzw. h2 und die Breiten b1 bzw. b2 definiert sind. Die Ausgestaltung des Stegs 50 zwischen den Schlitzen 46a, 46b wird durch die Parameter s und s1 festgelegt.
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Im unteren Teil der 7 ist der Absperrkörper 32' in einer Schnittansicht in sieben unterschiedlichen Winkelstellungen relativ zu der Blende 30'' gezeigt. 8 zeigt die zeitliche Variation des aus dem Pulsationserzeuger 10 austretenden Gasmassenstroms bei einer Drehung des Absperrkörpers 32 mit konstanter Winkelgeschwindigkeit, wobei die jeweils in den sieben in 7 gezeigten Stellungen des Absperrkörpers 32' aus dem Pulsationserzeuger 10 austretenden Gasmengen durch Kreise hervorgehoben sind.
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Stellung 1 zeichnet sich dadurch aus, dass die Durchlassöffnung 34 durch die in der Einlassöffnung 36 angeordneten Blende 30'' verdeckt ist, so dass kein Gas durch den Pulsationserzeuger 10 treten kann. Dieser wirkt somit wie ein gesperrtes Ventil. Bei einer Drehung des Absperrkörpers 32' gegen den Uhrzeigersinn wird durch den breiten Schlitz 46a zunächst die Durchlassöffnung 34 vollständig freigegeben (Stellung 2), wodurch der durch den Pulsationserzeuger 10 strömende Gasmassenstromstrom maximal wird. Eine weitere Drehung des Absperrkörpers 32' bringt die stromaufwärtige Seite der Durchlassöffnung 34 in den Bereich des Stegs 50, so dass die Durchlassöffnung 34 zumindest teilweise verdeckt wird (Stellung 3). In der Stellung 4 kann – im Gegensatz zu der Situation in der Stellung 3 – Gas durch beide Schlitze 46a, 46b in die Durchlassöffnung 34 strömen. Dies führt zwar zu einer Steigerung des Gasflusses im Vergleich zu der Stellung 3, allerdings wird aufgrund des Steges 50 nicht der maximale mögliche Durchflussquerschnitt erreicht.
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In der Stellung 5 strömt das in den Pulsationserzeuger 10 einströmende Gas nur noch durch den schmaleren Schlitz 46b in die Durchlassöffnung 34. Dadurch wird ein lokales Maximum der Gasdurchflussmenge erreicht, das allerdings aufgrund der geringeren Breite des Schlitzes 46b verglichen mit der Breite des Schlitzes 46a deutlich kleiner ist als das in der Stellung 2 erreichte globale Durchflussmaximum. Eine weitere Drehung des Absperrkörpers 32' führt zu einer Reduzierung des freien Durchflussquerschnitts (Stellung 6) bis schließlich wieder eine vollständige Sperrung der Durchlassöffnung 34 erreicht wird (Stellung 7).
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Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, dass durch eine geeignete Ausgestaltung der Durchlassöffnung 34, der Blende 30'' und eine geeignete Wahl der Drehgeschwindigkeit des Absperrkörpers 32' eine Vielzahl von zeitlich variierenden, insbesondere gepulsten Gasmassenströmen erzeugt werden kann, die realistische Bedingungen weitgehend entsprechen. Auch wird die Funktion beispielsweise der Verbindungsöffnung 48 der Blende 30 (siehe 5) deutlich. Sie führt dazu, dass solange sich die Durchlassöffnung 34 im Bereich der Schlitze 46, 46' befindet, stets eine bestimmte Grundmenge von Gas durch die Durchlassöffnung 34 strömen kann. Analog bewirkt der im mittleren Bereich verbreitete Steg 50 der Blende 30' (siehe 6) Gegenteiliges.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Pulsationserzeuger
- 12
- Einlassstutzen
- 14
- Auslassstutzen
- 16
- Innengehäuse
- 18
- Außengehäuse
- 20
- Dämmschicht
- 22, 22'
- Kühlmittelleitungsanschluss
- 24a, 24b
- Seitenwand
- 26a, 26b
- Lagereinrichtung
- 28a, 28b
- Zahnrad
- 30, 30', 30''
- Blende
- 32, 32'
- Absperkörper
- 34
- Durchlassöffnung
- 36
- Einlassöffnung
- 38
- Auslassöffnung
- 40
- Bohrung
- 42
- Walze
- 44
- Wellenabschnitt
- 46, 46', 46'', 46''', 46a, 46b
- Schlitz
- 48
- Verbindungsöffnung
- 50
- Steg
- D
- Durchmesser
- B, b1, b2
- Breite
- H, h1, h2
- Höhe
- s, s1
- Parameter
