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Die
Erfindung betrifft eine Pulserzeugungseinheit zum Erzeugen eines
gepulsten Gasstroms aus einem im Wesentlichen ungepulsten-Gasstrom und
einen damit ausgerüsteten
Prüfstand.
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Zur
Vermessung von Abgasturboladern ist ein Prüfstand (”Laderprüfstand”) bekannt, bei dem die Vermessung
stationär
erfolgt, indem eine Beaufschlagung durch einen konstanten Abgasmassenstrom
erfolgt, der von einer stationär
betriebenen Brennkammer erzeugt wird, welcher einem stationären Verdichter
nachgeschaltet ist. Als Ergebnis werden stationär vermessene Kennfelder relevanter
Parameterwerte generiert.
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Dynamische
Effekte, wie sie in der Realität im
Motorbetrieb auftreten und die eine große Auswirkung insbesondere
auf das Ansprechverhalten des Abgasturboladers besitzen, werden
messtechnisch nicht erfasst und können bei einer Erstauslegung
bisher nur mittels Korrekturfaktoren zu den stationär vermessenen
Kennfelder berücksichtigt
werden, die auf Erfahrungswerten beruhen. Auch für eine Auslegung der Abgasturbolader
in der frühen
Entwicklungsphase werden die Korrekturfaktoren verwendet. Die Auswirkung
einer realistischen Abgasdynamik kann erst am Motorprüfstand bewertet
werden. Dies ist mit erheblichem Aufwand verbunden und erst in einer
späteren
Entwicklungsphase möglich.
Auch eine Wechselwirkung der Kette: Krümmer/Flansch/Turbine (oder
Twinscroll-Turbine) sowie die Auswirkung von Leckagen in dieser
Kette können
ebenfalls erst am Motorprüfstand
bewertet werden.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit
zur Prüfung
von Fahrzeugkomponenten unter Berücksichtigung einer realitätsnahen
Abgasdynamik bereitzustellen, welche vergleichsweise wenig aufwändig ist
und auch in einem frühen
Entwicklungsstadium angewandt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird mittels einer Pulserzeugungseinheit, eines Prüfstands
und eines Verfahrens zum Betreiben eines Prüfstands nach dem jeweiligen unabhängigen Anspruch
gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
sind insbesondere den abhängigen
Ansprüchen
entnehmbar.
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Die
Pulserzeugungseinheit dient zum Erzeugen eines gepulsten Gasstroms
aus einem im Wesentlichen ungepulsten Gasstrom. Dazu weist die Pulserzeugungseinheit
mindestens eine Armatur zum abwechselnden Öffnen und Verschließen mindestens
eines Kanals zwischen mindestens einem Gaseinlass zum Einlassen
des ungepulsten Gasstroms und mindestens einem Gasauslass zum Auslassen
des gepulsten Gasstroms auf. Durch das abwechselnde Öffnen und
Verschließen
wird am Gasauslass abwechselnd der Gasvolumenstrom/Gasdruck hochgehalten
und abgesenkt, wodurch sich der pulsartige Gasstrom ergibt. Durch
die Eigenschaften der Armatur, z. B. der Geschwindigkeit des Wechsels
zwischen einen geöffneten
und einem sperrenden Zustand, dem Strömungsquerschnitt, der Art der
Armatur usw., wird die Form der Pulse wesentlich mitbestimmt. Dadurch
ist es möglich,
bereits in frühen
Entwicklungsphasen reale Anströmbedingungen
eines Laders auf kostengünstige
Art zu simulieren.
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Grundsätzlich ist
die Pulserzeugungseinheit nicht auf eine bestimmte Zahl oder Art
von Armaturen beschränkt.
So kann mindestens eine Armatur als Ventil, Schieber, Drehschieber
(Hahn) und/oder Klappe vorliegen. Es wird zu schnellen und robusten Schaltung
jedoch eine Pulserzeugungseinheit bevorzugt, bei der die Armatur
einen Drehschieber umfasst.
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Der
Abschlusskörper
des Drehschiebers ist vorzugsweise frei drehbar, d. h., dass er
kontinuierlich umlaufend (ohne Anschlag) drehbar ist und somit zum Öffnen und
Schließen
nicht in entgegengesetzte Richtungen gedreht zu werden braucht.
Dadurch kann ein sehr schnelles abwechselndes Öffnen und Schließen durch
eine schnelle Drehbewegung des Abschlusskör pers erreicht werden, was
für eine Nachbildung
eines Abgasflusses aus einem Verbrennungsmotor vorteilhaft ist.
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Es
wird insbesondere zur Erzeugung mindestens zweier getrennter gepulster
Gasströme
eine Pulserzeugungseinheit bevorzugt, die mindestens zwei fluidisch
getrennte Gaskanäle
aufweist. Jeder Gaskanal weist mindestens einen Gaseinlass und einen
Gasauslass auf. Jeder der Gaskanäle
weist eine entsprechende Armatur zu seinem abwechselnden Öffnen und
Verschließen
auf. Mittels mindestens zweier gepulster Gasströme lässt sich die Abgaszuströmung zu
einem Lader noch realistischer nachbilden als mit nur einem gepulsten
Gasstrom, da jeder Gasstrom mindestens einem Gasstrom eines Zylinders
oder einer Flut aus einem oder mehreren Zylindern zugeordnet werden
kann. Grundsätzlich
kann jede Armatur individuell angesteuert werden.
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Zur
Erzeugung komplementär
gepulster Gasströme
wird insbesondere eine Pulserzeugungseinheit bevorzugt, bei der
die jeweiligen Gaskanäle zueinander
zeitversetzt öffenbar
und verschließbar sind,
insbesondere abwechselnd.
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Dann
wird zur Erlangung eines einfachen Aufbaus eine Pulserzeugungseinheit
bevorzugt, bei der die mindestens zwei Gaskanäle mittels eines gemeinsamen
Drehschiebers öffenbar
und verschließbar
sind. Die Öffnungs-
und Schließzyklen
sind dann phasenstarr zueinander. Alternativ können die Abschlusskörper der
Armaturen durch mindestens ein Kraftübertragungselement gemeinsam
antreibbar sein, z. B. mittels einer gemeinsamen Welle, welche z.
B. an verschiedene Kugelhähne
angelenkt ist.
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Es
wird für
einen besonders einfachen Aufbau eine Pulserzeugungseinheit bevorzugt,
bei welcher der gemeinsame Drehschieber einen Abschlusskörper, mit
bezüglich
seiner Drehachse winkelversetzten Durchgangsbohrungen aufweist.
Bei zwei fluidisch getrennten Gaskanälen wird ein Abschlusskörper bevorzugt,
bei der die Durchgangsbohrungen senkrecht zueinander stehen bzw.
um 90° winkelversetzt
sind. Bei drei fluidisch getrennten Gaskanälen werden drei um 60° zueinander
winkelversetzte Durchgangsbohrungen bevorzugt, bei vier fluidisch
getrennten Gaskanälen
werden vier um 45° zueinander
winkelversetzte Durchgangsbohrungen bevorzugt, und so weiter.
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Es
wird bevorzugt, wenn der Abschlusskörper ein zylinderförmiger Abschlusskörper ist,
jedoch kann er auch eine andere Form aufweisen, z. B. kugelförmig.
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Zur
Strömungsberuhigung
wird eine Pulserzeugungseinheit bevorzugt, die einen Umluftkanal aufweist,
der die mindestens eine Armatur umgeht und vorzugsweise in den hinter
dem Turbolader sitzenden Auspuff führt. Der Strömungsquerschnitt
des Umluftkanals ist vorzugsweise steuerbar.
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Es
wird ferner eine Pulserzeugungseinheit bevorzugt, bei der den Armaturen
eine gemeinsame Beruhigungskammer in Form eines Gasspeichervolumens
strömungstechnisch
vorgeschaltet ist, um einen konstanten Massenstrom sicherzustellen
und die Brennkammer vor ungewollten Pulsationen zu schützen.
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Der
Prüfstand,
insbesondere ein Abgasturbolader-Prüfstand, weist mindestens eine,
insbesondere wie oben beschriebene, Pulserzeugungseinheit auf.
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Es
wird ein Prüfstand
bevorzugt, bei welchem der stationären Brennkammer und der Pulserzeugungseinheit
mindestens ein Speichervolumen fluidisch zwischengeschaltet ist,
das einen konstanten Massenstrom an einer der Pulserzeugungseinheit
fluidisch vorgeschalteten Brennkammer ermöglicht.
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Es
wird ferner ein Prüfstand
bevorzugt, der einen Motor, insbesondere Elektromotor, zum Antreiben
des Abschlusskörpers
aufweist.
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Der
Motor ist vorzugsweise ein drehzahlregelbarer Motor.
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Die
Drehzahl der Walze richtet sich nach der Anzahl der rotierenden
Bohrungen, der zu simulierenden Motordrehzahl und der Anzahl der
Zylinder, d. h., dass bei einem 4-Zylindermotor mit vier Abgasstößen je 720° Kurbelwinkel
und einer Pulserzeugereinheit mit zwei um 90° versetzten Bohrungen (entsprechend
vier Abgasstößen je 360° Walzenwinkel)
die Walze mit halber Motordrehzahl rotieren sollte, um diese richtig
abzubilden. Der besonders interessierende Drehzahlbereich liegt
im vorliegenden Fall bei 500 < NWalze < 1250
[1/min] (”Low
End Torque” (LET)-Bereich).
Prinzipiell ist allerdings das ganze Drehzahlband des zu untersuchenden
Verbrennungsmotors von Interesse.
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Ein
Teil der Analyse der Messdaten liegt in der Ermittlung des Massenstromverlaufs
der gepulsten Strömung über die
Abgasturbine. Da eine direkte Messung des zeitlich veränderlichen
Massenstromverlaufs nicht möglich
ist, werden die Massenstromverläufe
berechnet. Als Eingangsgrößen hierfür werden
zuvor winkelstatisch an beiden Seiten der Pulserzeugungseinheit
gemessene Druckverläufe über die
Pulserzeugungseinheit verwendet. Die Berechnung des Massenstromverlaufs
erfolgt dann mittels eines die Gasdynamik simulierenden Strömungssimulationsprogramms,
das die Pulse der Pulserzeugungseinheit nachbildet.
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Zur
Ermittlung des Massenstromverlaufs wird ein Prüfstand bevorzugt, welcher mindestens
einen ersten Gasdrucksensor (X) vor der Armatur und mindestens einen
zweiten Gasdrucksensor hinter der Armatur aufweist, wobei der mindestens
eine erste Gasdrucksensor und der mindestens eine zweite Gasdrucksensor
mittels der Armatur abwechselnd fluidisch verbindbar und trennbar
sind. Der Gasdrucksensor kann Teil der Pulserzeugungseinheit sein
oder dieser vor und/oder nachgeschaltet sein. Mittels der mindestens
einen Druckmessung vor (stromaufwärts) und hinter (stromabwärts) der
Armatur kann daraus der Massenstromverlauf berechnet werden. Zur
redundanten Messung können
mehrere Drucksensoren im gleichen Gaskanal vor und/oder hinter der
Armatur vorhanden sein. Es können
Drucksensoren in einem oder mehreren separaten Gaskanälen vorhanden
sein, welche durch die Pulserzeugungseinheit geleitet werden. So
mag die Ausrüstung
nur eines Gaskanals mit Drucksensoren ausreichend sein.
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Das
Verfahren zum Betreiben eines solchen Prüfstands weist mindestens die
folgenden Schritte auf: Messen eines Druckverlaufs mittels des mindestens
einen ersten Gasdrucksensors; Messen eines Druckverlaufs mittels
des mindestens einen zweiten Gasdrucksensors und Berechnen eines
Massenstromverlaufs aus den gemessenen Druckverläufen.
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In
den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur besseren Übersichtlichkeit
gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen
versehen sein.
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1 zeigt
eine Prinzipskizze eines Abgasturbolader-Prüfstands;
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2 zeigt
als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Zeichnung einer Pulserzeugungseinheit.
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1 zeigt
einen Abgasturbolader-Prüfstand 1,
welcher zunächst
einen Verdichter 2 zum Verdichten eines eingehenden Gasstroms
aufweist, an den sich eine stationäre Brennkammer 3 mit
vorgeschalteter Heizung anschließt. Aus der Brennkammer 3 austretende
Abgase werden in einen Abgasspeicher 4 (Beruhigungsspeicher)
einer Größe zwischen
25 Liter und 100 Liter geleitet, der einen im Wesentlichen konstanten
Massenstrom der aus der Brennkammer 3 austretenden Abgase
sicherstellt. Von dem Abgasspeicher 4 werden die Abgase
wiederum als im Wesentlichen ungepulste (sich bezüglich ihres
Massenstroms bzw. Drucks nicht schnell verändernde) Abgasströme über zwei
getrennte Zuleitungskanäle 5a zu
einer Pulserzeugungseinheit 6 weitergeführt. In der Pulserzeugungseinheit 6 werden
die im Wesentlichen ungepulsten Abgasströme weiterhin fluidisch getrennt
in gepulste Abgasströme umgewandelt
und auch getrennt in Ableitungskanäle 5b ausgegeben.
Dazu weist die Pulserzeugungseinheit 6 fluidisch getrennte
Abgaskanäle 7 auf,
die eingangsseitig mit einem jeweiligen der Zuleitungskanäle 5a und
ausgangsseitig mit einem der jeweiligen Ableitungskanäle 5b verbunden
sind. Jeder der Abgaskanäle 7 ist
mittels einer Armatur 8 gesteuert wahlweise öffenbar
und verschließbar.
An der stromabwärts
gelegenen Ausgangsseite der jeweiligen Armatur 8 ist der
Druck abhängig
von einer Stellung der Armatur 8. Bei geschlossener Armatur 8 sinkt
der Abgasdruck hinter der Armatur 8 bis maximal auf einen drucklosen
Zustand. Beim folgenden Öffnen
der Armatur 8 steigt der Abgasdruck wieder an, und so weiter.
Dadurch lässt
sich ein drucktechnisch gepulster Abgasstrom an der Auslassseite
der Armatur 8 erzeugen. Die Pulsform hängt dabei unter anderem von der Öffnungsfrequenz,
dem Strömungsdurchmesser und
der Art der Armatur 8 ab. Die beiden gezeigten Armaturen 8 sind
so eingestellt, dass sie zueinander abwechselnd öffnen und schließen, so
dass sich jeweilige gepulste Abgasströme mit zueinander komplementärer Form
ergibt, d. h., dass ein Hochdruckbereich eines gepulsten Abgasstroms
im Wesentlichen mit einem Niedrigdruckbereich des anderen gepulsten
Abgasstroms zusammenfällt.
Die Abgasströme
können
beispielsweise die zwei Fluten eines Verbrennungsmotors darstellen.
Die Armaturen 8 sind hier als ein einziger Doppeldrehschieber
mit einem gemeinsamen walzenförmigen
Abschlusskörper 15 ausgeführt, in
dem senkrecht zueinander stehende Gasdurchlassbohrungen 16, 17 eingebracht
sind und der mittels eines Antriebsmotors 20 gedreht wird.
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In
der Skizze ist ferner ein Abgasturbolader 9 als in den
Prüfstand 1 eingesetzt
eingezeichnet. Der Abgasturbolader 9 ist eingangsseitig
mit den beiden Gasauslässen
der Pulserzeugungseinheit 6 verbunden, an denen die gepulsten
Abgasströme
ausgegeben werden. Ausgangsseitig des Abgasturboladers 9 werden
die Abgase über
einen Auspuff 10 abgelassen.
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Optional
kann zwischen dem Abgasspeicher 4 und dem Auspuff 10 als
direkte fluidische Verbindung ein Umluftkanal 11 vorhanden
sein, hier gestrichelt gezeichnet, welcher folglich die Armaturen 8 umgeht.
Mittels des Umluftkanals 11 kann eine Schwingungs- bzw.
Pulsdämpfung
für die
stationäre Brennkammer 3 erreicht
werden.
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Die
Pulserzeugungseinheit 6 ermöglicht es, am Turboladerprüfstand 1 reale
Anströmbedingungen
des Laders 9 zu simulieren. Diese Messmethodik erlaubt
bereits in frühen
Entwicklungsphasen sehr detaillierte Bewertungen. Das sog. ”Ladermatching” kann auf
die dynamische Beaufschlagung (Stoßaufladung) erweitert werden,
was bisher im Versuch nur am Motorprüfstand erfolgen kann. Außerdem können die
Wechselwirkungen der Kette Krümmer/Flansch/Turbine
sowie innere Leckagen in den einzelnen Bauteilen bewertet und analysiert
werden. Durch die kostengünstigen
Untersuchungen und den sehr frühzeitigem
Informationsgewinn ergibt sich ein großes Potenzial bezüglich einer
Reduzierung von Entwicklungskosten. Gleichzeitig können durch
systematische Vermessungen der Turbinenbeaufschlagung Kenntnisse
gewonnen werden, die als direkte Eingabegrößen in, z. B. ein- oder dreidimensionale, Simulationsprogramme
dienen können.
Durch derart abgesicherte Rechenmodelle kann die Auslegungssicherheit
wesentlich verbessert werden, wodurch sich auch hier ein Potenzial
zur Reduktion der Entwicklungskosten erschließen lässt.
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Insbesondere
sind hier zur Ermittlung des Massenstromverlaufs des Abgases in
einem der Zuleitungskanäle 5a vor
der Armatur 8 und in einem zugehörigen der Ableitungskanäle 5b hinter
der Armatur 8 jeweils ein erster Drucksensor 18a bzw.
ein zweiter Drucksensor 18b eingebracht, so dass der erste
Gasdrucksensor 18a und der zweite Gasdrucksensor 18b mittels
der Armatur 8 abwechselnd fluidisch verbindbar und trennbar
sind. Die Druckverläufe
an den Sensoren 18a, 18b werden aufgenommen und
daraus der Massenstromverlauf berechnet. Die Drucksensoren 18a, 18b weisen
hier gekühlte
Druckmessquarze auf. Der sich ergebende Massenstromverlauf kann
beispielsweise zum Abgleich der Simulationsparameter verwendet werden.
Aus dem Massenstromverlauf über
die Pulserzeugungseinheit 6 ergibt sich auch der Massenstromverlauf über den Turbolader.
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2 zeigt
eine mögliche
Ausgestaltung der Pulserzeugungseinheit 6 in größerer Genauigkeit.
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Die
Pulserzeugungseinheit 6 weist hier in ihrem Gehäuse 12 oberseitig
abgebildet zwei Abgaseinlässe 13 auf,
an die von Außen
jeweils ein Zuleitungskanal 5a gleichen Innendurchmessers
vom Abgasspeicher (Beruhigungsspeicher) 4 aus 1 angeflanscht
ist. Den Abgaseinlässen 13 liegen
genau entgegengesetzt an dem Gehäuse 12 zwei
Abgasauslässe 14 gegenüber. An
die Abgasauslässe
können
beispielsweise später
zusammengeführte
Ableitungskanäle
in Form eines Abgaskrümmers
angeflanscht werden, welcher zu einer Turbine des Turboladers führt. Der
Innendurchmesser entspricht in der Praxis in etwa dem Innendurchmesser
zugehöriger Abgaskrümmerrohre,
beispielsweise 15 mm bis 75 mm, kann aber auch darunter oder weit
darüber
liegen, z. B. für
Schiffsdiesel.
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Fluidisch
und körperlich
zwischen den Abgaseinlässen 13 und
den Abgasauslässen 14 ist
in dem Gehäuse 12 ein
zylinderförmiger
Abschlusskörper (Walze) 15 frei
drehbar gelagert vorhanden, der Teil eines Drehschiebers ist. In
der Walze 15 sind zwei Durchgangsbohrungen 16, 17 so
eingebracht, dass sie bezüglich
einer Längsachse
L der Walze, welche auch der Drehachse entspricht, um 90° winkelversetzt
sind, also senkrecht zueinander stehen. Ihre Durchmesser entsprechen
denen der Zuleitungen und Ableitungen.
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In
der gezeigten Darstellung befindet sich die Walze 15 in
einer Drehstellung, bei welcher der linke Abgaskanal 7 abgesperrt
und der rechte Abgaskanal 7 voll geöffnet ist. Da die Durchmesser
(entsprechend der Strömungsquerschnitte)
des Zuleitungskanal 5a, der Elemente 13, 14, 17 und
vorzugsweise des Ableitungskanals gleich sind, treten in dem rechten,
voll geöffneten
Abgaskanal 7 kaum Strömungsverluste
auf. Am linken, dem geschlossenen Drehschieber 8 folgenden
Abgasauslass 14 hat sich ein niedriger Abgasvolumenstrom
bzw. Abgasdruck eingestellt, während
rechts ein hoher Abgasvolumenstrom bzw. Abgasdruck vorliegt. Bei
einer Drehung der Walze 15 schließt der rechte Drehschieber 8, während sich
der linke öffnet
unter entsprechender Änderung
des Abgasvolumenstroms bzw. Abgasdrucks. Dadurch sind die beiden
Abgaskanäle 7 bzw. die
zwei Gaseinlässe 13 und
Gasauslässe 14 zueinander
abwechselnd öffenbar
und verschließbar.
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Zur
Drehung der Walze 15, insbesondere in nur eine Richtung,
ist diese mit einer Stirnseite mit einer Antriebswelle 19 verbunden,
die seitlich durch das Gehäuse 12 geführt wird.
Die Antriebswelle 19 ist mit dem hier nicht dargestellten
drehzahlregelbaren Antriebsmotor verbunden. Durch die Verwendung nur
einer Walze 15 zur phasenstarren Öffnung beider Abgaskanäle 7 statt
der – grundsätzlich möglichen – Verwendung
getrennter Ventile wird eine besonders preiswerte, schnell schaltende
und ausfallsichere Möglichkeit
zur Erzeugung gepulster Gasströme
ermöglicht.
Eine geringere Gestaltungsmöglichkeit
bei der Formung der Pulse fällt
aufgrund der meist ebenfalls phasenstarren Brennkammeraktivierung
bei einem Verbrennungsmotor wenig ins Gewicht.
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Speziell
können
Turbinen am Prüfstand
mit gepulster Strömung
beaufschlagt werden. Variationen von wesentlichen Strömungsparametern,
wie Impulshöhe,
Impulsdauer und Frequenz können
relativ leicht per Änderung
der Walzengeometrie (Anzahl der Bohrungen, Durchmesser der Bohrungen
und Außendurchmesser
der Walze) bzw. durch Änderung der
Walzendrehzahl abgebildet werden.
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel
beschränkt.
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So
können
allgemein Turbolader für
turboaufgeladene Verbrennungsmotoren geprüft werden, z. B. für Pkw, Lkw,
Sonderfahrzeuge und sogar Schiffe (Schiffsdiesel).
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- 1
- Abgasturbolader-Prüfstand
- 2
- Verdichter
- 3
- stationäre Brennkammer
- 4
- Abgasspeicher
- 5a
- Zuleitungskanal
- 5b
- Ableitungskanal
- 6
- Pulserzeugungseinheit
- 7
- Abgaskanal
- 8
- Ventil
- 9
- Abgasturbolader
- 10
- Auspuff
- 11
- Umluftkanal
- 12
- Gehäuse
- 13
- Abgaseinlass
- 14
- Abgasauslass
- 15
- Walze
- 16
- Durchgangsbohrung
- 17
- Durchgangsbohrung
- 18
- Gasdrucksensor
- 19
- Antriebswelle
- 20
- Antriebsmotor