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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckgasprüfvorrichtung, insbesondere zur Simulation oder Erprobung zumindest einer im Betrieb gasführenden Anlagenkomponente, beispielsweise einer Abgasanlagenkomponente oder eines Abgasturboladers, mit einer einen kontinuierlichen heißen Gasmassenstrom erzeugenden, eine Brennkammer aufweisenden Druckgasquelle, einer Druckgasleitung zum Zuführen des heißen Druckgases zu der zu prüfenden Anlagenkomponente und einer Einrichtung zur Erzeugung eines zeitlich variierenden, insbesondere gepulsten Gasmassenstromes.
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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 aufwendig.
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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 der Druckgasleitung ist eine von dem Druckgas durchströmte Einrichtung zur Umwandlung des kontinuierlichen Gasmassenstromes in einen gepulsten Gasmassenstrom angeordnet.
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Die
DE 10 2008 031 274 B3 betrifft ein Verfahren und eine Prüfvorrichtung zur Ermittlung eines Kennfeldes eines Turboladers unter motorrealistischen Bedingungen anhand eines impulsbeaufschlagten Heißgasmassenstromes. Die Prüfvorrichtung hat eine Brennkammereinrichtung zur Erzeugung des Heißgasmassenstromes und eine Impulserzeugungseinrichtung zur Impulsbeaufschlagung des Heißgasmassenstromes sowie eine Dämpfungseinrichtung, durch die Druckwellen, die von der Impulserzeugungseinrichtung reflektiert werden, abgedämpft werden.
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Die Dämpfungseinrichtung ist hierzu zwischen der Brennkammereinrichtung und der Impulserzeugungseinrichtung angeordnet. Durch Drosselstellen bzw. Blendeneinrichtungen im Eintrittsbereich der Dämpfungseinrichtung sind die Druckschwankungen am Brennkammeraustritt der Brennkammereinrichtung beeinflussbar.
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Ein ähnliches Verfahren zur Untersuchung des dynamischen Betriebsverhaltens eines Abgasturboladers mittels einer Heißgaserzeugungseinrichtung beschreibt auch die
DE 10 2009 041 541 B3 . Die Heißgaserzeugungseinrichtung hat eine Brennkammer zur Erzeugung von Heißgas, einen Impulserzeuger zur Erzeugung der variablen Druckpulsationen und einen zwischen der Brennkammer und dem Impulserzeuger angeordneten Impulsdämpfer. Hierdurch ist es möglich, einen konstanten Heißgasmassenstrom derart mit einer Druckpulsation zu beaufschlagen, dass verbrennungsmotorähnliche Bedingungen an dem Eintritt der Turbine geschaffen werden.
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Mithilfe von geeigneten Kombinationen von Drosselstellen in dem Impulsdämpfer können die Druckniveaus angepasst werden. Durch eine Heißgasleitung wird das Heißgas von der Brennkammer über den Impulsdämpfer und über den Impulserzeuger zu der Turbine geleitet. Die Frequenz, die Amplitude und die Form der Druckschwankungen können dabei über den Impulserzeuger in Kombination mit dem Impulsdämpfer eingestellt werden.
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Die
DE 10 2011 010 357 A1 betrifft eine Druckgasprüfvorrichtung, insbesondere zur Erprobung von Abgasanlagenkomponenten wie Turboladern, mit einer einen kontinuierlichen Gasmassenstrom erzeugenden Druckgasquelle, einer Druckgasleitung zum Zuführen des Druckgases zu der zu prüfenden Abgasanlagenkomponente und einer in die Druckgasleitung eingeschalteten Einrichtung zur Umwandlung des kontinuierlichen Gasmassenstromes in einen zeitlich variierenden, insbesondere gepulsten Gasmassenstrom. Die Einrichtung umfasst ein Gehäuse mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung sowie einen in dem Gehäuse derart drehbar gelagerten Absperrkörper, dass der Absperrkörper in Abhängigkeit von seiner Drehstellung einen variablen Durchflussquerschnitt zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung definiert. 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.
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Bekannte Druckgasprüfvorrichtungen der eingangs genannten Art sind jedoch aufgrund der Beschränkung auf maximale Betriebsdrücke bzw. -temperaturen in der Praxis nur eingeschränkt nutzbar und bilden dadurch die Charakteristik des zu erwartenden Abgasstromes nur in unzureichender Form nach, sodass die Erprobung der Abgasanlagenkomponenten nicht die erforderliche Praxisnähe aufweist. Insbesondere können keine höheren Spitzendrücke als der vom Heißgasbrenner erzeugte Betriebsdruck erreicht werden.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Druckgasprüfvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass dadurch eine Erprobung oder Simulation an Anlagenkomponenten realitätsnah durchgeführt werden kann. Insbesondere sollen Druckpulsationen ebenso wie die thermischen Einflüsse des Druckgases auf die zu prüfenden Komponenten praxisnah nachgebildet werden können, wobei die Belastung der Funktionselemente der Druckgasprüfvorrichtung zugleich nur vergleichsweise gering ist. Insbesondere soll also eine Druckgasprüfvorrichtung geschaffen werden, die im Betrieb einem geringen Verschleiß unterliegt und die dadurch eine Erprobung oder Simulation der Anlagenkomponenten in einem wesentlich erweiterten Temperaturspektrum gestattet.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Druckgasprüfvorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß weist also die Druckgasprüfvorrichtung ein zwischen der Druckgasquelle und der Anlagenkomponente mittels einer Durchlassöffnung mit der Druckgasleitung verbundenes, einseitig geschlossenes, nicht durchströmbares und die Einrichtung einschließendes Leitungselement auf, in dem ein das Leitungsvolumen insbesondere periodisch oder zyklisch veränderndes Element der Einrichtung beweglich angeordnet ist. Indem erfindungsgemäß anders als beim Stand der Technik die Einrichtung zur Erzeugung der Druckpulsation nicht etwa von dem heißen Druckgas durchströmt wird, sondern in einer hier als Leitungselement bezeichneten Zuführung oder Erweiterung angeordnet ist, wird die gewünschte Druckpulsation dem in der Druckgasleitung vorbeiströmenden Gasmassenstrom aufgeprägt, ohne dass die Einrichtung selbst von dem heißen Gasmassenstrom durchströmt wird. Durch diese einfache, aber überraschend effiziente Gestaltung kann die Einwirkung des heißen Gasmassenstromes auf die Einrichtung derart reduziert werden, dass die insbesondere thermische Belastung der Bauelemente der Einrichtung auf ein Minimum gesenkt werden und daher problemlos auch Druckgas mit sehr hohen Temperaturen zur Erprobung oder Simulation an Anlagenkomponenten eingesetzt werden kann.
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Dabei verschließt die Einrichtung ein der Durchlassöffnung abgewandtes Ende des Leitungselementes. Zugleich kann der geometrische Abstand der Einrichtung von der Durchlassöffnung durch die Länge des Leitungselementes so bestimmt werden, dass der thermische Einfluss des Gasmassenstromes auf die Einrichtung gering ist. Dabei können auch Kühlelemente, beispielsweise Kühlrippen, oder ein von einer Kühlflüssigkeit durchströmbarer Kühlmantel vorgesehen werden, um die Erwärmung der Einrichtung unterhalb eines zulässigen Wertes zu halten.
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Das Leitungsvolumen könnte dadurch verändert werden, dass das Leitungselement zumindest abschnittsweise mit einer elastischen oder flexiblen Wandfläche ausgestattet ist, um so nach dem Prinzip einer gasundurchlässigen Membran durch eine kurzzeitige Verformung der Wandfläche das in dem Leitungselement eingeschlossene Gasvolumen zu verdrängen und die so erzeugte Druckwelle dem Gasmassenstrom in der Druckgasleitung aufzuprägen. Dabei wird in einfacher Weise eine Trennung der gasführenden Leitungsvolumen innerhalb des Leitungselementes und des Aktors der Einrichtung zur Erzeugung der Druckpulsation erreicht, wobei keine zusätzliche Dichtung oder beweglichen Funktionselemente innerhalb des Leitungselementes erforderlich sind. Zur Reduzierung der Belastung der elastischen Wandfläche liegt bevorzugt ein Mitteldruck des Gasmassenstromes gegen die Außenseite der Wandfläche an.
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Eine weitere besonders Erfolg versprechende Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Einrichtung einen in dem Leitungselement beweglichen, gegenüber einer Innenwandfläche gedichteten Kolben aufweist. Indem der Kolben in Richtung der Hauptstreckung des Leitungselementes innerhalb des Leitungselementes gegenüber diesem gasdicht translatorisch reversierend bewegt wird, kann dem Gasmassenstrom eine Schwingung mit einstellbarer Frequenz und Amplitude aufgeprägt werden. Hierzu kann der Kolben auch in einem Leitungsabschnitt des Leitungselementes mit einer erweiterten Querschnittsfläche angeordnet sein, um so ein vergleichsweise großes Gasvolumen bewegen zu können.
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Dabei hat es sich bereits als besonders praxisnah erwiesen, wenn der Kolben mittels eines Antriebes mit einer einstellbaren Hubhöhe und/oder Frequenz beweglich ist, um so die Beaufschlagung der Anlagenkomponente mit dem pulsierenden Gasmassenstrom entsprechend der im Betrieb der beispielsweise als Abgasturbolader ausgeführten Abgasanlagenkomponente auftretenden Bedingungen simulieren und entsprechende Messwerte erfassen zu können.
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Hierzu kann der Antrieb mittels einer Steuereinheit mit entsprechenden Steuersignalen versorgt werden. Besonders vorteilhaft ist es hingegen, wenn der Antrieb mit einem Exzenter mit einer einstellbaren Hubhöhe, beispielsweise durch eine radial veränderbare Kurbelwellenaufnahme wie durch einen Hubzapfen verbunden ist, um die Hubhöhe entsprechend anpassen zu können. Auf diese Weise wird die Stärke des Druckstoßes auf mechanischem Wege veränderbar und die Frequenz bzw. der Zyklusabstand durch eine Steuerung der Drehzahl bedarfsweise eingestellt.
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Eine andere ebenfalls besonders sinnvolle Ausgestaltungsform der Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Einrichtung einen Aktuator mit einer elektromagnetische Spule, beispielsweise einer Schwingspule zur Erzeugung eines Druckimpulses aufweist, um so die Anzahl der beweglichen Elemente zu reduzieren. Alternativ kann auch ein Hydropulser zum Einsatz kommen.
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Selbstverständlich kann die Einrichtung mehrere, insbesondere auch unterschiedliche Funktionselemente aufweisen, um das Leitungsvolumen periodisch oder zyklisch aus dem Leitungselement auszustoßen und dadurch dem Gasmassenstrom eine gegebenenfalls auch aus mehreren überlagerten Schwingungen zusammengesetzte Pulsation aufzuprägen.
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Weiterhin ist es besonders praxisnah, wenn in Strömungsrichtung hinter der Druckgasquelle und vor der Einlassöffnung des Leitungselementes eine Dämpfungseinrichtung angeordnet ist, durch die Druckwellen, die von der Impulserzeugungseinrichtung erzeugt werden, abgedämpft werden, sodass die Druckgasquelle nicht durch Druckpulsationen beschädigt werden kann.
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Mittels einer Lavaldüse wird in der Dämpfungseinrichtung in dem engsten Düsenquerschnitt eine Strömungsgeschwindigkeit nahe der Schallgeschwindigkeit erzeugt, um die unerwünschte Rückwirkung der eingeleiteten Druckpulsation auf die Druckgasquelle zu vermeiden und damit auch das zu komprimierende Gasvolumen zwischen der Düse und dem Eintritt in die Anlagenkomponente möglichst gering zu halten. Alternativ oder ergänzend ist auch der Einsatz von Rückschlagventilen, beispielsweise Rückschlagklappen, zur Vermeidung der Rückwirkung auf die Druckgasquelle realisierbar. Im Vergleich zu Drossel- oder Dämpfungselementen ergibt sich ein geringerer Verlust der eingeleiteten Druckpulsationen.
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Die Geometrie des Leitungselementes wird an die jeweiligen Anforderungen der Druckgasprüfvorrichtung entsprechend angepasst. So können beispielsweise die Länge, die Querschnittsfläche und -form des Leitungselementes ebenso wie dessen Orientierung relativ zu der Haupterstreckung der Druckgasleitung bzw. der Strömungsrichtung des Gasmassenstromes bestimmt und gegebenenfalls auch variabel eingestellt werden. Besonders sinnvoll ist es hingegen, wenn die Druckgasleitung und das Leitungselement in Strömungsrichtung einen spitzen Winkel einschließen, sodass der Gasmassenstrom und die Hauptrichtung des mittels der Druckpulsationseinrichtung erzeugten Druckpulses in einem spitzen Winkel aufeinandertreffen. Bei einer anderen Variante kann es vorteilhaft sein, wenn die Hauptachse des Druckpulses genau quer zu dem Gasmassenstrom eingeleitet wird.
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Die Druckgasprüfvorrichtung ist selbstverständlich nicht auf eine einzige Druckpulsationseinrichtung beschränkt. Vielmehr können mehrere Druckpulsationseinrichtungen in einem gemeinsamen Leitungselement oder in verschiedenen Leitungselementen im Bereich desselben oder aufeinander folgender Abschnitte der Druckgasleitung angeordnet werden. Vorzugsweise erfolgt die Einleitung der Druckpulsation in den Gasmassenstrom so nah wie möglich vor dem Eintritt in die zu prüfende Anlagenkomponente, sodass die Durchlassöffnung in einem der Druckgasquelle abgewandten Leitungsabschnitt der Druckgasleitung angeordnet ist.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Die Zeichnung zeigt in einer Prinzipdarstellung eine Druckgasprüfvorrichtung 1 zur Simulation und Erprobung zumindest einer im Betrieb gasführenden Anlagenkomponente 2, beispielsweise eines Abgasturboladers. Dabei erzeugt eine eine Brennkammer 3 aufweisende Druckgasquelle 4 einen heißen Gasmassenstrom 5, der durch eine Druckgasleitung 6 der zu prüfenden Anlagenkomponente 2 durch eine Eintrittsöffnung 7 zugeführt wird. Um dabei auch realitätsnah entsprechend die im Betrieb einer Brennkraftmaschine auftretenden Druckpulsationen berücksichtigen zu können, ist die Druckgasprüfvorrichtung 1 mit einer auch als Druckpulsationsgenerator bezeichneten Einrichtung 8 zur Erzeugung eines zeitlich variierenden, insbesondere gepulsten Gasmassenstromes 5‘ ausgestattet. Anders als beim derzeitigen Stand der Technik wird diese Einrichtung 8 nicht etwa von dem heißen Gasmassenstrom 5 durchströmt, sondern ist in einem nebengeordneten Leitungselement 9 angeordnet. Die so durch Volumenänderungen erzeugten Druckschwankungen werden als periodische oder zyklische Pulsation dem Gasmassenstrom 5 aufgeprägt. Hierzu ist das Leitungselement 9 mittels einer Durchlassöffnung 10 zwischen der Druckgasquelle 4 und der Eintrittsöffnung 7 der Anlagenkomponente 2 mit der Druckgasleitung 6 mit geringem Abstand zu der Eintrittsöffnung 7 verbunden. An einem der Durchlassöffnung 10 abgewandten Endabschnitt 11 des Leitungselementes 9 ist ein mittels eines Antriebes 12 reversierend bewegliches, als Kolben ausgeführtes Element 13 gasdicht in dem Leitungselement 9 angeordnet. Dadurch kann ein Teil des Leitungsvolumens in Form eines periodischen Druckstoßes 14 aus dem Leitungselement 9 ausgestoßen und als Druckpulsation 15 dem Gasmassenstrom 5‘ aufgeprägt werden. Der Kolben ist hierzu mit dem Antrieb mittels eines Exzenters 16 verbunden. Alternativ kann der Kolben auch mittels einer lediglich gestrichelt dargestellten elektromagnetischen Spule 19 bewegt werden. Indem die Druckgasleitung 6 und das Leitungselement 9 einen spitzen Winkel α einschließen, sind die Strömungsverluste des Gasmassenstromes 5 in der Druckgasleitung 6 gering. Weiterhin ist in Strömungsrichtung hinter der Druckgasquelle 4 und vor der Durchlassöffnung 10 des Leitungselementes 9 eine mit einer Lavaldüse 17 ausgestattete Dämpfungseinrichtung 18 angeordnet, durch die von der Einrichtung 8 ausgehende Druckwellen reflektiert, zumindest jedoch gedämpft werden, sodass unerwünschte Rückwirkungen auf die Druckgasquelle 4 vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008031274 B3 [0004]
- DE 102009041541 B3 [0006]
- DE 102011010357 A1 [0008]
