DE102013019656A1

DE102013019656A1 - Verfahren zur Simulierung der thermischen mechanischen Beanspruchung einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102013019656A1
Application number: DE102013019656.6A
Authority: DE
Inventors: Robert Bender
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-11-23
Filing date: 2013-11-23
Publication date: 2015-05-28
Also published as: GB2521269A; GB201420820D0; GB201420631D0

Abstract

Eine Ausführungsform der Erfindung ist ein Simulationssystem (1) zur Simulierung der thermischen und mechanischen Beanspruchungen der Flexpipe (5) einer Abgasanlage (4) oder der Abgasanlage (4) eines Kraftfahrzeuges (2), umfassend: Mittel Erwärmen von Luft und Leiten der erwärmten Luft durch die Flexpipe (5) zur Simulierung der thermischen Beanspruchung der Flexpipe (5), Mittel Bewegen der Flexpipe (5), insbesondere eines vorderen Endbereiches der Flexpipe (5), mit einer mechanischen Basis-Simulationsvorrichtung (15) in verschiedenen Freiheitsgraden, Mittel zum Bewegen der Flexpipe (5), insbesondere des vordere Endbereiches der Flexpipe (5), mit der mechanischen Basis-Simulationsvorrichtung (15) in drei, insbesondere nur drei, Freiheitsgraden, nämlich einer z-Translationsrichtung (37), einer x-Translationsrichtung (38) und einer my-Rotationsrichtung (40) und/oder Mittel zum Bewegen der Flexpipe (5), insbesondere eines hintere Endbereiches der Flexpipe (5), mit einer ersten Zusatz-Simulationsvorrichtung (18) in einer x-Translationsrichtung (37) und/oder einen Heißgasbrenner (14) als Mittel zum Erwärmen der Luft und/oder Mittel zum abwechselnden Leiten der Luft durch die Flexpipe (5) abwechselnd in einem Hochtemperaturzyklus und einem Niedertemperaturzyklus und/oder Mittel, so dass die Eingangstemperatur und die Ausgangstemperatur der Luft bzw. der Abgasanlage (4) erfasst wird und die Eingangstemperatur und die Ausgangstemperatur gesteuert und/oder geregelt wird, indem der Volumenstrom und die Temperatur der in die Abgasanlage (4) eingeleiteten Luft in Abhängigkeit von der Eingangstemperatur und der Ausgangstemperatur verändert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulierung der thermischen und mechanischen Beanspruchungen einer Flexpipe einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Simulationssystem zur Simulierung der thermischen und mechanischen Beanspruchungen einer Flexpipe einer Abgasanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 12.
In Kraftfahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Hubkolben-Verbrennungsmotor, ist eine Abgasanlage erforderlich, um die aus dem Verbrennungsmotor austretenden Abgase abzuleiten. Der Verbrennungsmotor ist zur Verringerung von Vibrationen und Schwingungen beweglich und stark schwingungsdämpfend bezüglich des übrigen Kraftfahrzeuges, insbesondere der Karosserie, gelagert. Dadurch führt der Verbrennungsmotor wesentlich größere Schwingungsbewegungen aus als das übrige Kraftfahrzeug. Hintere Abgasrohre und Schalldämpfer sind mit einem Gummilager in einer vertikalen z-Richtung leicht schwingungsdämpfend mit der Karosserie verbunden. Als Verbindungsglied der Abgasanlage zwischen einem vorderen Abgasrohr, welches fest mit dem Verbrennungsmotor verbunden ist und dadurch die großen Schwingungsbewegungen des Verbrennungsmotors mit ausführt, und dem hinteren Abgasrohr wird eine sogenannten Flexpipe zwischen dem vorderen und hinteren Abgasrohr eingesetzt, welche in Längsrichtung bzw. x-Richtung sowie in vertikaler Richtung bzw. z-Richtung und in Querrichtung bzw. y-Richtung beweglich ist. Die Flexpipe kann somit die Differenz zwischen den großen Schwingungsbewegungen des vorderen Abgasrohres mit großen Schwingungsamplituden zu den kleinen Schwingungsbewegungen des hinteren Abgasrohres ausgleichen.
Die Flexipe aus Metall, insbesondere Stahl, unterliegt großen mechanischen und thermischen Beanspruchen, so dass es erforderlich ist für die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Flexpipe diese in einem Simulationssystem als einem Prüfstand zu testen. Hierzu ist an dem vorderen Abgasrohr in dem Simulationssystem ein aufwendiger Drehtisch mit mehreren Freiheitsgraden befestigt, um dadurch die mechanischen Beanspruchungen der Flexpipe zu simulieren, da mit einer Bewegung des vorderen Abgasrohes auch die Flexpipe bewegt wird. Ein Hubkolben-Verbrennungsmotor wird als Mittel zum Erwärmen und Leiten der durch die Abgasanlage geleiteten Luft eingesetzt. Das Simulationssystem ist damit in der Herstellung und im Betrieb aufwendig und teuer.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zur Simulierung der thermischen und mechanischen Beanspruchungen der Flexpipe einer Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges und ein Simulationssystem zur Simulierung der thermischen und mechanischen Beanspruchungen einer Flexpipe einer Abgasanlage zur Verfügung zu stellen, welches in der Herstellung preiswert ist und im Betrieb zuverlässig eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Simulierung der thermischen und mechanischen Beanspruchungen einer Flexpipe einer Abgasanlage oder der Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges mit einem Simulationssystem, insbesondere einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Simulationssystem, mit den Schritten: Erwärmen von Luft und Leiten der erwärmten Luft durch die Flexpipe zur Simulierung der thermischen Beanspruchung der Flexpipe, Bewegen der Flexpipe, insbesondere eines vorderen Endbereiches der Flexpipe, mit einer mechanischen Basis-Simulationsvorrichtung in verschiedenen Freiheitsgraden, wobei die Flexpipe, insbesondere der vordere Endbereich der Flexpipe, mit der mechanischen Basis-Simulationsvorrichtung in drei, insbesondere nur drei, Freiheitsgraden, nämlich einer z-Translationsrichtung, einer x-Translationsrichtung und einer my-Rotationsrichtung bewegt wird und/oder die Flexpipe, insbesondere ein hintere Endbereich der Flexpipe, mit einer ersten mechanischen Zusatz-Simulationsvorrichtung in einer x-Translationsrichtung bewegt wird und/oder die Luft mit einem Heißgasbrenner erwärmt wird und/oder die Luft durch die Flexpipe abwechselnd in einem Hochtemperaturzyklus und einem Niedertemperaturzyklus geleitet wird und/oder die Eingangstemperatur und die Ausgangstemperatur der Luft bzw. der Abgasanlage erfasst wird und die Eingangstemperatur und die Ausgangstemperatur gesteuert und/oder geregelt wird, indem der Volumenstrom und die Temperatur der in die Abgasanlage eingeleiteten Luft in Abhängigkeit von der Eingangstemperatur und der Ausgangstemperatur verändert wird. Eine x-Translationsrichtung ist eine horizontale Translationsrichtung in einer horizontalen Längsrichtung des Kraftfahrzeuges und des Abgasstranges, eine z-Translationsrichtung ist eine vertikale Translationsrichtung und eine my-Rotationsrichtung ist eine Rotationsbewegung mit einer Rotationsachse, welche einer horizontalen Querrichtung bzw. y-Richtung des Kraftfahrzeuges entspricht.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Luft durch eine Abgasanlage mit der Flexpipe, wenigstens einem Abgasrohr und wenigstens einen Schalldämpfer geleitet und/oder die Luft wird durch ein vorderes Abgasrohr in Strömungsrichtung der durch die Flexpipe geleiteten Luft vor der Flexpipe und durch ein hinteres Abgasrohr in Strömungsrichtung der durch die Flexpipe geleiteten Luft nach der Flexpipe durch die Abgasanlage geleitet wird.
Zweckmäßig ist die mechanische Basis-Simulationsvorrichtung mit dem vorderen Abgasrohr verbunden und/oder die Kräfte zum Bewegen der Flexpipe mit der mechanischen Basis-Simulationsvorrichtung werden auf das vordere Abgasrohr übertragen, so dass dadurch das vordere Abgasrohr und die Flexpipe, insbesondere an dem vorderen Endbereich, bewegt wird. Dabei wird auch ein vorderes Ende der Flexpipe als ein vorderes Abgasrohr betrachtet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist die mechanische erste Zusatzsimulationsvorrichtung mit dem hinteren Abgasrohr oder einer anderen Komponente, insbesondere dem Schalldämpfer, an dem hinteren Abgasrohr verbunden und/oder die Kräfte zum Bewegen der Flexpipe mit der mechanischen ersten Zusatz-Simulationsvorrichtung werden auf das hintere Abgasrohr oder einer anderen Komponente, insbesondere dem Schalldämpfer, an dem hinteren Abgasrohr übertragen. Dabei wird auch ein hinteres Ende der Flexpipe als ein hinteres Abgasrohr betrachtet.
In einer weiteren Variante wird das hinteren Abgasrohr oder eine andere Komponente, insbesondere der Schalldämpfer, an dem hinteren Abgasrohr mit der mechanischen ersten Zusatz-Simulationsvorrichtung in einer z-Translationsrichtung bewegt, so dass dadurch vorzugsweise die Flexpipe, insbesondere ein hinterer Endbereich der Flexpipe, bewegt wird.
In einer zusätzlichen Ausführungsform wird das hinteren Abgasrohr oder einer anderen Komponente, insbesondere der Schalldämpfer, an dem hinteren Abgasrohr mit einer mechanischen zweiten Zusatz-Simulationsvorrichtung in einer z-Translationsrichtung bewegt und vorzugsweise wird das hinteren Abgasrohr oder einer anderen Komponente, insbesondere der Schalldämpfer, an dem hinteren Abgasrohr mit einer mechanischen dritten Zusatz-Simulationsvorrichtung in einer z-Translationsrichtung bewegt.
In einer ergänzenden Variante weist die mechanische Basis-Simulationsvorrichtung einen Drehtisch auf und der Drehtisch wird von zwei z-Aktuatoren in zwei getrennten z-Translationsrichtungen bewegt wird und an dem Drehtisch ist ein x-Aktuator befestigt ist und der x-Aktuator wird in x-Translationsrichtung bewegt relativ zu dem Drehtisch und der x-Aktuator ist mit dem vorderen Abgasrohr verbunden und/oder die Kräfte zum Bewegen der Flexpipe mit dem x-Aktuator werden auf das vordere Abgasrohr übertragen. Eine gesteuerte Bewegung der beiden z-Aktuatoren und des x-Aktuators ermöglicht auch eine einer my-Rotationsrichtung des vorderen Abgasrohres. Dabei kann der Drehtisch von den beiden z-Aktuatoren auch in einen spitzen Winkel zu einer horizontalen Ebene ausgerichtet werden, so dass als x-Translationsrichtung des x-Aktuators auch eine Bewegung mit einer Komponente in einer ausschließlichen horizontalen x-Translationsrichtung betrachtet wird. Dies gilt in analoger Weise auch für eine z-Translationsrichtung.
Zweckmäßig liegt in dem Hochtemperaturzyklus die Eingangstemperatur der Luft bzw. der Abgasanlage zwischen 500°C und 1000°C, insbesondere zwischen 600°C und 800°C, und die Ausgangstemperatur der Luft bzw. der Abgasanlage liegt zwischen 200°C und 600°C, insbesondere zwischen 300°C und 500°C.
In einer weiteren Ausgestaltung liegt in dem Niedertemperaturzyklus die Eingangstemperatur der Luft bzw. der Abgasanlage zwischen 200°C und 600°C, insbesondere zwischen 300°C und 500°C, und die Ausgangstemperatur der Luft bzw. der Abgasanlage liegt zwischen 40°C und 200°C, insbesondere zwischen 70°C und 150°C.
In einer weiteren Ausführungsform wird mit nur einem Heißgasbrenner Luft erwärmt und die erwärmte Luft wird durch eine erste und zweite Abgasanlage mit je einer Flexpipe geleitet.
In einer ergänzenden Ausführungsform wird der von dem Heißgasbrenner erwärmte Volumenstrom an Luft während einer Hochtemperaturphase der ersten Abgasanlage und einer Niedertemperaturphase der zweiten Abgasanlage zu wenigstens 50% durch die erste Abgasanlage geleitet und weniger als 50% wird durch die zweite Abgasanlage geleitet und der von dem Heißgasbrenner erwärmte Volumenstrom an Luft wird während einer Niedertemperaturphase der ersten Abgasanlage und einer Hochtemperaturphase der zweiten Abgasanlage zu wenigstens 50% durch die zweite Abgasanlage geleitet und weniger als 50% wird durch die erste Abgasanlage geleitet wird.
Erfindungsgemäßes Simulationssystem zur Simulierung der thermischen und mechanischen Beanspruchungen einer Flexpipe einer Abgasanlage oder der Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges, umfassend: eine mechanische Basis-Simulationsvorrichtung zum Bewegen der Flexpipe, welche mit einem vorderen Abgasrohr verbunden ist zum Bewegen der Flexpipe, eine mechanische erste Zusatzsimulationsvorrichtung, welche mit dem hinteren Abgasrohr oder einer anderen Komponente, insbesondere dem Schalldämpfer, an dem hinteren Abgasrohr verbunden ist mit einem z-Aktuator zum Bewegen des hinteren Abgasrohres oder der anderen Komponente in einer z-Translationsrichtung, ein Mittel zum Erwärmen der Luft und zum Leiten der erwärmten Luft durch die Abgasanlage, wobei die mechanische Basis-Simulationsvorrichtung einen Drehtisch aufweist und der Drehtisch von zwei z-Aktuatoren in zwei getrennten z-Translationsrichtungen bewegbar ist und an dem Drehtisch ein x-Aktuator befestigt ist und der x-Aktuator in x-Translationsrichtung relativ bewegbar ist zu dem Drehtisch und der x-Aktuator mit dem vorderen Abgasrohr verbunden ist und/oder die erste mechanische Zusatz-Simulationsvorrichtung einen x-Aktuator zum Bewegen des hinteren Abgasrohres oder der anderen Komponente in einer x-Translationsvorrichtung aufweist.
In einer ergänzenden Ausgestaltung umfasst das Simulationssystem eine mechanische zweite Zusatzsimulationsvorrichtung, welche mit dem hinteren Abgasrohr oder einer anderen Komponente, insbesondere der Schalldämpfer, an dem hinteren Abgasrohr verbunden ist mit einem z-Aktuator zum Bewegen des hinteren Abgasrohres oder der anderen Komponente in einer z-Translationsrichtung und vorzugsweise umfasst das Simulationssystem eine mechanische dritte Zusatzsimulationsvorrichtung, welche mit dem hinteren Abgasrohr oder einer anderen Komponente, insbesondere der Schalldämpfer, an dem hinteren Abgasrohr verbunden ist mit einem z-Aktuator zum Bewegen des hinteren Abgasrohres oder der anderen Komponente in einer z-Translationsrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform sind die z-Aktuatoren und der wenigstens eine x-Aktuator als hydraulische Aktuatoren ausgebildet, insbesondere weist der x-Aktuator an dem Drehtisch der mechanischen Basis-Simulationsvorrichtung einen relativ zu dem Drehtisch feststehende Kolben und einen relativ zu dem Drehtisch hydraulisch beweglichen Gleichlaufzylinder mit zwei getrennten Kammern auf.
Zweckmäßig weist das Simulationssystem mehrere getrennte Simulationsgebläse zur Simulierung von Fahrtwind auf, welche in einem Abstand von wenigstens 10 cm 30 cm oder 70 cm zueinander angeordnet sind und/oder an dem hinteren Ende des hinteren Abgasrohres ein Koppelelement, insbesondere ein Absaugtrichter, in einem geringen Abstand zu dem hinteren Ende des hinteren Abgasrohres angeordnet ist und das Koppelement mit der hintersten mechanischen Zusatzsimulationsvorrichtung verbunden ist, so dass von dem Koppelelement ein Schwingbewegung des hinteren Endes des hinteren Abgasrohres im Wesentlich mit ausführbar ist und mit dem Koppelelement ein flexibler, beweglicher Schlauch verbunden ist zum Absaugen der Abgase und/oder mit dem Simulationssystem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist und/oder das Mittel zum Erwärmen der Luft und zum Leiten der erwärmten Luft durch die Abgasanlage ein Heißgasbrenner mit einem Gebläse ist.
Zweckmäßig ist der x-Aktuator und/oder der z-Aktuator als ein, vorzugsweise elektrischer, Spindeltrieb ausgebildet.
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1 eine Seitenansicht eines Simulationssystems,
2 eine stark vereinfachte Draufsicht eines Simulationssystems mit zwei Abgasanlagen,
3 ein Diagramm des Temperaturverlaufes in der Abgasanlage und
4 eine Seitenansicht eines Kraftfahrzeuges.
Ein in 4 dargestelltes Kraftfahrzeug 2 weist einen Verbrennungsmotor 3 zum Antrieb des Kraftfahrzeuges 2 auf. Das Abgas des Verbrennungsmotors 3 als Hubkolben-Verbrennungsmotor 3 wird mit einer Abgasanlage 4 von dem Verbrennungsmotor 3 in einem vorderen Motorraum zu einem hinteren Ende des Kraftfahrzeuges 2 geleitet. Die Abgasanlage 4 umfasst ein Abgasrohr 6, einen Katalysator 9, eine Flexpipe 5 und zwei Schalldämpfer 10, nämlich einen Mittelschalldämpfer 11 und einen Endschalldämpfer 12. Das Abgasrohr 6 ist in ein vorderes Abgasrohr 7 in Strömungsrichtung des Abgases in der Abgasanlage 4 vor der Flexpipe 5 und ein hinteres Abgasrohr 8 in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Flexpipe 5 unterteilt. Der Verbrennungsmotor 3 führt aufgrund einer entsprechenden schwingungsdämpfenden und beweglichen Lagerung an der Karosserie große Schwingungsbewegungen aus und der Katalysator 9 sowie das vordere Abgasrohr 7 führen diese großen Schwingungsbewegungen mit aus, weil diese fest mit dem Verbrennungsmotor 3 verbunden sind. Das hintere Abgasrohr 8 und die beiden Schalldämpfer 10 sind mit einem Gummilager geringfügig beweglich bzw. leicht schwingungsdämpfend in einer z-Translationsrichtung 37 mit Halteelementen mit der Karosserie verbunden, so dass das hintere Abgasrohr 8 und die beiden Schalldämpfer 10 lediglich die kleinen Schwingungsbewegungen der Karosserie mit ausführen. Dabei ist das erste Halteelement nach der Flexpipe 5 an dem hinteren Abgasrohr 8 in einer x-Translationsrichtung 38 fest mit der Karosserie verbunden und die anderen Halteelemente sind zum Ausgleich von thermischen Bewegungen der Abgasanlage 4 in der x-Translationsrichtung 38 beweglich bezüglich der Karosserie gelagert (nicht dargestellt). Zur mechanischen und fluidleitenden Verbindung des vorderen Abgasrohres 7 mit dem hinteren Abgasrohr 8 wird die Flexpipe 5 aus Metall, insbesondere Stahl, eingesetzt, welche die Schwingungsdifferenzen und Translationsbewegungsdifferenzen in x-Translationsrichtung 38 zwischen dem vorderen und hinteren Abgasrohr 7, 8 ausgleicht.
Die Flexpipe 5 ist somit großen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Zur Simulierung dieser Belastungen wird ein Simulationssystem 1 eingesetzt. Das Simulationssystem 1 umfasst einen mit Gas oder Heizöl oder elektrisch betriebenen Heißgasbrenner 14 mit einem Gebläse zum Erwärmen der Luft und Leiten der erwärmten Luft durch die Abgasanlage 4 in einem Prüfstand. Mit dem Simulationssystem 1 wird nicht nur die Flexpipe 5, sondern die gesamte Abgasanlage 4 (ohne Katalysator und nur einem Teil des vorderen Abgasrohres 7) den mechanischen und thermischen Belastungen für Prüfzwecke ausgesetzt. Die von dem Heißgasbrenner 14 erwärmte Luft wird durch einen flexiblen und beweglichen Heißgasbrennerschlauch 41 einer Verbindungsmuffe 17 zugeführt und die Verbindungsmuffe 17 ist mit einem kurze vorderen Abgasrohr 7 verbunden. Mit dem Heißgasbrenner 14 werden somit die thermischen Belastungen der Abgasanlage 4 simuliert.
Eine mechanische Basis-Simulationsvorrichtung 15 dient zur Simulierung der mechanischen Belastungen der Flexpipe 5, indem mit der Basis-Simulationsvorrichtung 15 ein vordere Ende der Flexpipe 5 bewegt wird. Die Basis-Simulationsvorrichtung 15 umfasst einen Drehtisch 24, zwei z-Aktuatoren 25 und einen x-Aktuator 26. Eine z-Translationsrichtung 37 ist eine vertikale Translationsrichtung. Eine x-Translationsrichtung 38 ist eine horizontale Translationsrichtung in einer Längsrichtung des Kraftfahrzeuges 2 und eine y-Translationsrichtung 39 ist eine horizontale Translationsrichtung in Querrichtung des Kraftfahrzeuges 2 bzw. senkrecht zu der Zeichenebene von 1 und 4. Eine my-Rotationsrichtung 40 ist eine Rotationsbewegung mit einer Rotationsachse, welche parallel zu der y-Translationsrichtung 39 ist. Die beiden z-Aktuatoren 25 als hydraulische Aktuatoren 25 weisen einen Abstand in der x-Translationsrichtung 38 zueinander auf und mit den beiden z-Aktuatoren 25 kann der vordere und hintere Endbereich des Drehtisches 24 in der z-Translationsrichtung 37 bewegt werden.
Die beiden z-Aktuatoren 25 sind am oberen Ende jeweils mit einem Gelenk 44 mit dem Drehtisch 24 verbunden und der in 1 rechts dargestellte z-Aktuator 25 ist am unteren Ende mit einem weiteren Gelenk 44 mit dem Boden verbunden. Mit dem Drehtisch 24 sind fest und unbeweglich zwei Kolben 27 als Kolbenstangen 27 verbunden, welche in jeweils eine Kammer eines beweglichen Gleichlaufzylinders 28 münden. Die beiden Kolben 27 als Kolbenstangen 27 und der Gleichlaufzylinder 28 bilden damit einen hydraulischen x-Aktuator 26. Der bewegliche Gleichlaufzylinder 28 ist mit der Verbindungsmuffe 17 fest verbunden, so dass die Verbindungsmuffe 17 auch eine Basis-Halteklammer 16 zur Verbindung der Basis-Simulationsvorrichtung 15 mit dem vorderen Abgasrohr 7 bildet. Die beiden z-Akuatoren 25 und der x-Aktuator 26 werden von einer nicht dargestellten Steuerungseinheit des Simulationssystems 1 dahingehend angesteuert, dass die Basis-Halteklammer 16 und damit auch das vordere Abgasrohr 7 und das vordere Ende des Flexpipe 5 mit nur drei, Freiheitsgraden, nämlich einer z-Translationsrichtung, einer x-Translationsrichtung und einer my-Rotationsrichtung, bewegt wird, so dass an der Flexpipe 5 die mechanischen Beanspruchungen aufgrund der großen Schwingungen des Verbrennungsmotors 3 simuliert werden.
Zwischen der Flexpipe 5 und dem Mittelschalldämpfer 11 ist das hintere Abgasrohr 8 mit einer ersten Halteklammer 19 mit einer ersten mechanischen Zusatzsimulationsvorrichtung 18 verbunden. Die erste mechanische Zusatzsimulationsvorrichtung 18 umfasst einen z-Aktuator 25 und einen x-Aktuator 26, so dass das hintere Abgasrohr 8 und damit auch das hintere Ende der Flexpipe 5 von der ersten mechanischen Zusatzsimulationsvorrichtung 18 in einer z-Translationsrichtung 37 und einer x-Translationsrichtung bewegt wird zur Simulierung der mechanischen Beanspruchungen der Flexpipe 5. Mit dem x-Aktuator können somit die mechanischen Beanspruchungen bei einer ABS-Bremsung des Kraftfahrzeuges 2 simuliert werden und mit dem z-Aktuator 25 können z. B. die Beanspruchungen aufgrund von Fahrbahnunebenheiten oder Schwingungen der Karosserie simuliert werden. Die erste mechanische Zusatzsimulationsvorrichtung 18 kann auch aus zwei getrennten Einheiten mit getrennten ersten Halteklammern 19 jeweils mit einem z-Aktuator 25 und einem x-Aktuator 26 aufgebaut sein.
Zwischen dem Mittelschalldämpfer 11 und dem Endschalldämpfer 12 ist das hintere Abgasrohr 8 mit einer zweiten Halteklammer 21 mit einer zweiten mechanischen Zusatzsimulationsvorrichtung 20 verbunden. Die zweite mechanische Zusatzsimulationsvorrichtung 20 umfasst einen z-Aktuator 25, so dass das hintere Abgasrohr 8 und die beiden Schalldämpfer 10 von der zweiten mechanischen Zusatzsimulationsvorrichtung 20 in einer z-Translationsrichtung 37 bewegt werden zur Simulierung der mechanischen Beanspruchungen dieser Komponenten der Abgasanlage 4. Mit dem z-Aktuator 25 können z. B. die Beanspruchungen aufgrund von Fahrbahnunebenheiten oder Schwingungen der Karosserie simuliert werden. In analoger Weise ist das hintere Abgasrohr 8 zwischen dem Endschalldämpfer 12 und einem hinteren Ende des hinteren Abgasrohres 8 mit einer dritten mechanischen Zusatzsimulationsvorrichtung 22 an einer dritten Halteklammer 23 mit dem hinteren Abgasrohr 8 verbunden und die dritte mechanische Zusatzsimulationsvorrichtung 22 weist einen z-Aktuator 26 auf. Abweichend hiervon (nicht dargestellt) kann das Simulationssystem 1 auch vierte und fünfte mechanische Zusatzsimulationsvorrichtung mit einer vierten und fünften Halteklammer aufweisen.
An dem hinteren Ende des hinteren Abgasrohres 8 ist ein Absaugtrichter 34 als Koppelelement 33 angeordnet. Der Absaugtrichter 34 ist an der dritten Halteklammer 23 der dritten mechanischen Zusatzsimulationsvorrichtung 22 befestigt und zwischen der Befestigung des hinteren Abgasrohres 8 an der dritten Halteklammer 23 und dem hinteren Ende des hinteren Abgasrohres 8 ist ein geringer Abstand in der x-Translationsrichtung 37, so dass zwischen dem Absaugtrichter 34 und dem hinteren Ende des hinteren Abgasrohres 8 bei einer Bewegung des hinteren Abgasrohres 8 und des Absaugtrichters 34 in der z-Translationsrichtung aufgrund der dritten mechanischen Zusatzsimulationsvorrichtung 22 geringe Bewegungsdifferenzen auftreten. Der Absaugtrichter 34 weist einen geringen Abstand zu dem hinteren Ende des hinteren Abgasrohres 8 auf ohne dass damit ein mechanischer Kontakt zwischen dem hinteren Abgasrohr 8 und dem Absaugrichter 34 auftritt, so dass im Wesentlichen das gesamte durch das hintere Ende des hinteren Abgasrohres 8 ausströmende Abgas in den Absaugtrichter 34 eingeleitet wird. An dem Absaugtrichter 34 ist ein flexibler Schlauch 35 befestigt durch den mit einem Absauggebläse 36 (2) das Abgas in die Umgebung außerhalb eines Simulationsraumes geleitet wird.
In 2 ist stark vereinfacht ein zweites Ausführungsbeispiel des Simulationssystems 1 dargestellt. In dem Simulationssystem 1 werden zwei getrennte Abgasanlagen 4, d. h, eine erste Abgasanlage 30 und eine zweite Abgasanlage 31 getestet. Die beiden Abgasanlagen 30, 31 entsprechen der in 1 dargestellten Abgasanlage 4. Dabei wird die heiße Luft von dem Heißgasbrenner 14 zu einem Ventil 29 geleitet und von dem Ventil 29 wird das Heißgas in einem Hochtemperaturzyklus 42 der ersten Abgasanlage 30 überwiegend durch die erste Abgasanlage 30 geleitet und nur zu einem geringen Anteil in einem Niedertemperaturzyklus 43 durch die zweite Abgasanlage 31. Umgekehrt wird in einem Hochtemperaturzyklus 42 der zweiten Abgasanlage 31 das Heißgas überwiegend durch die zweite Abgasanlage 31 geleitet und nur zu einem geringen Anteil in einem Niedertemperaturzyklus 43 durch die erste Abgasanlage 30. Damit können die beiden Abgasanlagen 30, 31 für eine realitätsnahe Simulierung der thermischen Beanspruchungen abwechselnd in dem Hochtemperaturzyklus 42 und dem Niedertemperaturzyklus 43 betrieben werden und trotzdem wird der Heißgasbrenner 14 mit einer für die Lebensdauer und den Wirkungsgrad vorteilhaften konstanten Brennleistung betrieben. Mehrere Simulationsgebläse 32 dienen zur Simulierung von Fahrtwind.
In 3 ist an der Abszisse die Zeit aufgetragen und an der Ordinate die Eingangs- oder Ausgangstemperatur der Luft bzw. der Abgasanlage 4 aufgetragen. Die Eingangstemperatur ist die Temperatur der Luft oder der Abgasanlage 4 an einem vorderen Ende der Abgasanlage 4 in dem Simulationssystem 1 und die Ausgangstemperatur ist die Temperatur der Luft oder der Abgasanlage 4 an einem hinteren Ende der Abgasanlage 4 in dem Simulationssystem 1. Hierzu sind an vorderen und hinteren Ende der Abgasanlage Temperatursensoren (nicht dargestellt) angeordnet und durch das Steuern und/oder Regeln des Volumenstromes an Luft, welcher in die Abgasanlage 4 eingeleitet wird und der Temperatur der Luft, welcher in die Abgasanlage 4 eingeleitet wird, kann die Eingangs- und Ausgangstemperatur der Abgasanlage 4 verändert bzw. gesteuert und/oder geregelt werden, um eine möglichst gute realitätsnahe Simulierung der thermischen Belastungen der Abgasanlage 4 zu erhalten. Beispielsweise beträgt in dem Hochtemperaturzyklus 42 die Eingangstemperatur 700°C und die Ausgangstemperatur 400°C und in dem Niedertemperaturzyklus 43 die Eingangstemperatur 400°C und die Ausgangstemperatur 100°C.
Insgesamt betrachtet sind mit erfindungsgemäßen Verfahren zur Simulierung der thermischen und mechanischen Beanspruchungen der Abgasanlage 4 und dem erfindungsgemäßen Simulationssystem 1 wesentliche Vorteile verbunden. Das Simulationssystem 1 ist konstruktiv einfach und damit in der Herstellung preiswert, insbesondere weil ein Heißgasbrenner 14 anstelle eines Verbrennungsmotors 3 eingesetzt wird und Basis-Simulationsvorrichtung 15 ist konstruktiv einfach aufgebaut und trotzdem werden die mechanischen Beanspruchungen der Flexpipe 5 realitätsnah simuliert.
Es wurde wenigstens ein Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei zu beachten ist, dass eine große Anzahl an Varianten hierzu existieren. Es sollte auch wahrgenommen werden, dass das Ausführungsbeispiel oder die Ausführungsbeispiele nur Beispiele sind und damit nicht beabsichtigt ist, den Schutzumfang, die Anwendbarkeit bzw. Ausführbarkeit oder den Aufbau in irgendeiner Weise zu beschränken. Die oben stehende Beschreibung vermittelt den Fachmann mit einer geeigneten Anleitung zur Ausführung von wenigstens einem Ausführungsbeispiel. Es ist zu verstehen, dass verschiedene Veränderungen gemacht werden können in der Funktion und der Anordnung der beschriebenen Komponenten in einer beispielhaften Ausführungsform ohne vom Schutzumfang der nachstehenden Ansprüche und sowie den Äquivalenten der nachstehenden Ansprüche abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: Simulationssystem
2: Kraftfahrzeug
3: Verbrennungsmotor
4: Abgasanlage
5: Flexpipe
6: Abgasrohr
7: Vorderes Abgasrohr
8: Hinteres Abgasrohr
9: Katalysator
10: Schalldämpfer
11: Mittelschalldämpfer
12: Endschalldämpfer
13: Mittel zum Erwärmen der Luft
14: Heißgasbrenner
15: Basis-Simulationsvorrichtung
16: Basis-Halteklammer
17: Verbindungsmuffe
18: Erste mechanische Zusatzsimulationsvorrichtung
19: Erste Halteklammer
20: Zweite mechanische Zusatzsimulationsvorrichtung
21: Zweite Halteklammer
22: Dritte mechanische Zusatzsimulationsvorrichtung
23: Dritte Halteklammer
24: Drehtisch
25: z-Aktuator
26: x-Aktuator
27: Kolben/Kolbenstange
28: Gleichlaufzylinder
29: Ventil
30: Erste Abgasanlage
31: Zweite Abgasanlage
32: Simulationsgebläse
33: Koppelelement
34: Absaugtrichter
35: Schlauch
36: Absauggebläse
37: z-Translationsrichtung
38: x-Translationsrichtung
39: y-Translationsrichtung
40: my-Rotationsrichtung
41: Heißgasbrennerschlauch
42: Hochtempertaturzyklus
43: Niedertempertaturzyklus
44: Gelenk

Claims

Verfahren zur Simulierung der thermischen und mechanischen Beanspruchungen einer Flexpipe (5) einer Abgasanlage (4) oder der Abgasanlage (4) eines Kraftfahrzeuges (2) mit einem Simulationssystem (1), insbesondere einem Simulationssystem (1) gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 12 bis 15, mit den Schritten: – Erwärmen von Luft und Leiten der erwärmten Luft durch die Flexpipe (5) zur Simulierung der thermischen Beanspruchung der Flexpipe (5), – Bewegen der Flexpipe (5), insbesondere eines vorderen Endbereiches der Flexpipe (5), mit einer mechanischen Basis-Simulationsvorrichtung (15) in verschiedenen Freiheitsgraden, wobei die Flexpipe (5), insbesondere der vordere Endbereich der Flexpipe (5), mit der mechanischen Basis-Simulationsvorrichtung (15) in drei, insbesondere nur drei, Freiheitsgraden, nämlich einer z-Translationsrichtung (37), einer x-Translationsrichtung (38) und einer my-Rotationsrichtung (40) bewegt wird und/oder die Flexpipe (5), insbesondere ein hintere Endbereich der Flexpipe (5), mit einer ersten mechanischen Zusatz-Simulationsvorrichtung (18) in einer x-Translationsrichtung (37) bewegt wird und/oder die Luft mit einem Heißgasbrenner (14) erwärmt wird und/oder die Luft durch die Flexpipe (5) abwechselnd in einem Hochtemperaturzyklus und einem Niedertemperaturzyklus geleitet wird und/oder die Eingangstemperatur und die Ausgangstemperatur der Luft bzw. der Abgasanlage (4) erfasst wird und die Eingangstemperatur und die Ausgangstemperatur gesteuert und/oder geregelt wird, indem der Volumenstrom und die Temperatur der in die Abgasanlage (4) eingeleiteten Luft in Abhängigkeit von der Eingangstemperatur und der Ausgangstemperatur verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft durch eine Abgasanlage (4) mit der Flexpipe (5), wenigstens einem Abgasrohr (6) und wenigstens einen Schalldämpfer (10) geleitet wird und/oder die Luft durch ein vorderes Abgasrohr (7) in Strömungsrichtung der durch die Flexpipe (5) geleiteten Luft vor der Flexpipe (5) und durch ein hinteres Abgasrohr (8) in Strömungsrichtung der durch die Flexpipe (5) geleiteten Luft nach der Flexpipe (5) durch die Abgasanlage (8) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Basis-Simulationsvorrichtung (15) mit dem vorderen Abgasrohr (7) verbunden ist und/oder die Kräfte zum Bewegen der Flexpipe (5) mit der mechanischen Basis-Simulationsvorrichtung (15) auf das vordere Abgasrohr (7) übertragen werden, so dass dadurch das vordere Abgasrohr (7) und die Flexpipe (5), insbesondere an dem vorderen Endbereich, bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische erste Zusatzsimulationsvorrichtung (18) mit dem hinteren Abgasrohr (8) oder einer anderen Komponente (10), insbesondere dem Schalldämpfer (10), an dem hinteren Abgasrohr (8) verbunden ist und/oder die Kräfte zum Bewegen der Flexpipe (5) mit der mechanischen ersten Zusatz-Simulationsvorrichtung (18) auf das hintere Abgasrohr (8) oder einer anderen Komponente (10), insbesondere dem Schalldämpfer (10), an dem hinteren Abgasrohr (8) übertragen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hinteren Abgasrohr (8) oder eine andere Komponente (10), insbesondere der Schalldämpfer (10), an dem hinteren Abgasrohr (8) mit der mechanischen ersten Zusatz-Simulationsvorrichtung (18) in einer z-Translationsrichtung (37) bewegt wird, so dass dadurch vorzugsweise die Flexpipe (5), insbesondere ein hinterer Endbereich der Flexpipe (5), bewegt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hinteren Abgasrohr (8) oder einer anderen Komponente (10), insbesondere der Schalldämpfer (10), an dem hinteren Abgasrohr (8) mit einer mechanischen zweiten Zusatz-Simulationsvorrichtung (20) in einer z-Translationsrichtung (37) bewegt wird und vorzugsweise das hinteren Abgasrohr (8) oder einer anderen Komponente (10), insbesondere der Schalldämpfer (10), an dem hinteren Abgasrohr (8) mit einer mechanischen dritten Zusatz-Simulationsvorrichtung (22) in einer z-Translationsrichtung (37) bewegt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Basis-Simulationsvorrichtung (15) einen Drehtisch (24) aufweist und der Drehtisch (24) von zwei z-Aktuatoren (25) in zwei getrennten z-Translationsrichtungen (37) bewegt wird und an dem Drehtisch (24) ein x-Aktuator (26) befestigt ist und der x-Aktuator (26) in x-Translationsrichtung (38) bewegt wird relativ zu dem Drehtisch (24) und der x-Aktuator (26) mit dem vorderen Abgasrohr (7) verbunden ist und/oder die Kräfte zum Bewegen der Flexpipe (5) mit dem x-Aktuator (26) auf das vordere Abgasrohr (7) übertragen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hochtemperaturzyklus (42) die Eingangstemperatur der Luft bzw. der Abgasanlage (4) zwischen 500°C und 1000°C, insbesondere zwischen 600°C und 800°C, liegt und die Ausgangstemperatur der Luft bzw. der Abgasanlage (4) zwischen 200°C und 600°C, insbesondere zwischen 300°C und 500°C, liegt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Niedertemperaturzyklus (43) die Eingangstemperatur der Luft bzw. der Abgasanlage (4) zwischen 200°C und 600°C, insbesondere zwischen 300°C und 500°C, liegt und die Ausgangstemperatur der Luft bzw. der Abgasanlage (4) zwischen 40°C und 200°C, insbesondere zwischen 70°C und 150°C, liegt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit nur einem Heißgasbrenner (14) Luft erwärmt wird und die erwärmte Luft durch eine erste und zweite Abgasanlage (30, 31) mit je einer Flexpipe (5) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Heißgasbrenner (14) erwärmte Volumenstrom an Luft während einer Hochtemperaturphase (42) der ersten Abgasanlage (30) und einer Niedertemperaturphase (43) der zweiten Abgasanlage (31) zu wenigstens 50% durch die erste Abgasanlage (30) geleitet wird und weniger als 50% durch die zweite Abgasanlage (31) geleitet wird und der von dem Heißgasbrenner (14) erwärmte Volumenstrom an Luft während einer Niedertemperaturphase (43) der ersten Abgasanlage (30) und einer Hochtemperaturphase (43) der zweiten Abgasanlage (31) zu wenigstens 50% durch die zweite Abgasanlage (31) geleitet wird und weniger als 50% durch die erste Abgasanlage (30) geleitet wird.
Simulationssystem (1) zur Simulierung der thermischen und mechanischen Beanspruchungen einer Flexpipe (5) einer Abgasanlage (4) oder der Abgasanlage (4) eines Kraftfahrzeuges (2), umfassend: – eine mechanische Basis-Simulationsvorrichtung (15) zum Bewegen der Flexpipe (5), welche mit einem vorderen Abgasrohr (7) verbunden ist zum Bewegen der Flexpipe (5), – eine mechanische erste Zusatzsimulationsvorrichtung (18), welche mit dem hinteren Abgasrohr (8) oder einer anderen Komponente (10), insbesondere dem Schalldämpfer (10), an dem hinteren Abgasrohr (8) verbunden ist mit einem z-Aktuator (25) zum Bewegen des hinteren Abgasrohres (8) oder der anderen Komponente (10) in einer z-Translationsrichtung (37), – ein Mittel (13) zum Erwärmen der Luft und zum Leiten der erwärmten Luft durch die Abgasanlage (4), wobei die mechanische Basis-Simulationsvorrichtung (15) einen Drehtisch (24) aufweist und der Drehtisch (24) von zwei z-Aktuatoren (25) in zwei getrennten z-Translationsrichtungen (37) bewegbar ist und an dem Drehtisch (24) ein x-Aktuator (26) befestigt ist und der x-Aktuator (26) in x-Translationsrichtung (37) relativ bewegbar ist zu dem Drehtisch (24) und der x-Aktuator (26) mit dem vorderen Abgasrohr (6) verbunden ist und/oder die erste mechanische Zusatz-Simulationsvorrichtung (18) einen x-Aktuator (26) zum Bewegen des hinteren Abgasrohres (8) oder der anderen Komponente (10) in einer x-Translationsvorrichtung (38) aufweist.
Simulationssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulationssystem (1) eine mechanische zweite Zusatzsimulationsvorrichtung (20) umfasst, welche mit dem hinteren Abgasrohr (8) oder einer anderen Komponente (10), insbesondere der Schalldämpfer (10), an dem hinteren Abgasrohr (8) verbunden ist mit einem z-Aktuator (25) zum Bewegen des hinteren Abgasrohres (8) oder der anderen Komponente (10) in einer z-Translationsrichtung (37) und vorzugsweise das Simulationssystem (1) eine mechanische dritte Zusatzsimulationsvorrichtung (22) umfasst, welche mit dem hinteren Abgasrohr (8) oder einer anderen Komponente (10), insbesondere der Schalldämpfer (10), an dem hinteren Abgasrohr (8) verbunden ist mit einem z-Aktuator (25) zum Bewegen des hinteren Abgasrohres (8) oder der anderen Komponente (10) in einer z-Translationsrichtung (37).
Simulationssystem nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die z-Aktuatoren (25) und der wenigstens eine x-Aktuator (26) als hydraulische Aktuatoren (25, 26) ausgebildet sind, insbesondere der x-Aktuator (26) an dem Drehtisch (24) der mechanischen Basis-Simulationsvorrichtung (15) einen relativ zu dem Drehtisch (24) feststehende Kolben (27) und einen relativ zu dem Drehtisch (24) hydraulisch beweglichen Gleichlaufzylinder (28) mit zwei getrennten Kammern aufweist.
Simulationssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Simulationssystem (1) mehrere getrennte Simulationsgebläse (32) zur Simulierung von Fahrtwind aufweist, welche in einem Abstand von wenigstens 10 cm 30 cm oder 70 cm zueinander angeordnet sind und/oder an dem hinteren Ende des hinteren Abgasrohres (8) ein Koppelelement (33), insbesondere ein Absaugtrichter (34), in einem geringen Abstand zu dem hinteren Ende des hinteren Abgasrohres (8) angeordnet ist und das Koppelement (33) mit der hintersten mechanischen Zusatzsimulationsvorrichtung (22) verbunden ist, so dass von dem Koppelelement (33) ein Schwingbewegung des hinteren Endes des hinteren Abgasrohres (8) im Wesentlich mit ausführbar ist und mit dem Koppelelement (33) ein flexibler, beweglicher Schlauch (35) verbunden ist zum Absaugen der Abgase und/oder mit dem Simulationssystem (1) ein Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 11 ausführbar ist und/oder das Mittel (13) zum Erwärmen der Luft und zum Leiten der erwärmten Luft durch die Abgasanlage (4) ein Heißgasbrenner (14) mit einem Gebläse ist.