PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19845328A1 17.06.1999
Titel Unterdruckerzeugungsvorrichtung
Anmelder A. Kayser Automotive Systems GmbH, 37574 Einbeck, DE
Erfinder Moses, Erhard, 37574 Einbeck, DE;
Bielaß, Ekkehard, 59555 Lippstadt, DE
Vertreter Müller-Boré & Partner, Patentanwälte, European Patent Attorneys, 81671 München
DE-Anmeldedatum 01.10.1998
DE-Aktenzeichen 19845328
Offenlegungstag 17.06.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.06.1999
IPC-Hauptklasse F15D 1/00
IPC-Nebenklasse F02M 35/00   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Unterdruck mit zumindest einem Strömungskanal (2), in dem mehrere Düsen (4) parallel zur Strömungsrichtung (S) angeordnet sind, deren Querschnitt sich jeweils ausgehend von einer Eintrittsöffnung in Strömungsrichtung (S) zunächst verengt und sich anschließend zu einer Austrittsöffnung hin wieder aufweitet, wobei jede Düse (4) im Bereich ihres engsten Querschnittes zumindest eine Ansaugöffnung (15) aufweist und die Ansaugöffnungen (15) mit zumindest einer gemeinsamen Unterdruckleitung (18) verbunden sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Vorrichtung zur Erzeugung von Unterdruck.

In Kraftfahrzeugen sind zahlreiche Systems vorhanden, welche durch Unterdruck betätigt werden. Es handelt sich dabei beispielsweise um Servosysteme, wie z. B. die Bremse und luftgestützte Regenerationssysteme wie beispielsweise für einen Aktivkohlefilter in der Tankanlage. Der zur Betätigung dieser Systeme erforderliche Unterdruck wird beispielsweise durch einen Saugrohrunterdruck im Ansaugtrakt des Motors, durch Unterdruck im Abgassystem oder auch durch motorisch angetriebene Unterdruckpumpen erzeugt. Doch reicht der so erzeugte Unterdruck häufig nicht aus, um die genannten Systeme ausreichend sicher zu betätigen bzw. zu betreiben. Es wird deswegen im zunehmenden Maße nach Möglichkeiten gesucht, in jedem Betriebszustand des Motors einen ausreichenden Unterdruck zum Betreiben der genannten Systeme bei möglichst geringem Energieverlust zu erzeugen.

Eine bekannte Möglichkeit zur Erzeugung eines Unterdruckes ist eine Düse, insbesondere eine Lavaldüse, welche sich in Strömungsrichtung schnell verengt und dann wieder langsam erweitert. In ihr kann eine Gasströmung, wie sie beispielsweise im Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors auftritt, aufgrund des Querschnittsverengung der Düse nahezu verlustfrei beschleunigt werden und dann in der Querschnittserweiterung wieder auf die alte Geschwindigkeit verzögert werden. Dabei tritt in dem Bereich des geringsten Querschnittes der Düse eine hohe Geschwindigkeit auf. In diesem Bereich hoher Geschwindigkeit ist der statische Druck um einen Betrag Δp geringer als in den Bereichen mit geringerer Strömungsgeschwindigkeit, d. h. in den Bereichen des größeren Querschnittes der Düse. Wenn der statische Druck in den Bereichen mit geringer Geschwindigkeit etwa dem atmosphärischen Druck entspricht, kann auf diese Weise in dem Bereich hoher Geschwindigkeit ein Unterdruck erzeugt werden. Die erzeugte Druckdifferenz bzw. die Höhe des erzeugten Unterdruckes hängt von dem Geschwindigkeitsunterschied der Gasströmung in der Düse ab. Je stärker sich die Düse verengt, um so größer ist auch der Geschwindigkeitsunterschied. Starke Verengungen lassen sich nur bei einer vergleichsweise geringen Steigung der Verengung, vor allem aber nur bei einer sehr langsamen und sanften Erweiterung der Düse hinter der engsten Stelle nahezu verlustfrei realisieren. Daher ist zur Erzeugung eines großen Unterdruckes bzw. eines großen Geschwindigkeitsunterschiedes in der Düse eine sehr große und vor allem lange Düse erforderlich, welche sich nur äußerst schlecht in ein einen kompakten Verbrennungsmotor integrieren läßt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Unterdruck zu schaffen, welche eine zuverlässige Erzeugung eines großen Unterdruckes bei möglichst kleiner Baugröße der Vorrichtung ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Unterdruck weist zumindest einen Strömungskanal auf, beispielsweise ein Ansaug- oder Abgasrohr eines Verbrennungsmotors, in dem mehrere Düsen parallel zueinander und parallel zur Strömungsrichtung einer Gasströmung in dem Strömungskanal angeordnet sind. Der Querschnitt der Düsen verengt sich jeweils ausgehend von einer Eintrittsöffnung der Düse in Strömungsrichtung und weitet sich anschließend zu einer Austrittsöffnung hin wieder auf. Dabei weist jede Düse im Bereich ihres engsten Querschnittes, d. h. im Bereich ihrer Einschnürung, zumindest eine Ansaugöffnung auf und die Ansaugöffnungen der Düsen sind mit zumindest einer gemeinsamen Unterdruckleitung verbunden. Diese Vorrichtung verwendet somit eine Vielzahl kleiner Düsen, welche jeweils einer Lavaldüse ähnlich ausgebildet und in Strömungsrichtung parallel zueinander in dem Strömungskanal angeordnet sind. Durch die Querschnittsverengung in jeder Düse wird die Gasströmung bei konstantem Massenstrom in der Düse beschleunigt, wobei die Strömung an der engsten Stelle der Düse ihre höchste Strömungsgeschwindigkeit erreicht. Dies führt gemäß der Gleichung von Bernoulli gleichzeitig zu einem geringeren statischen Drucks im Bereich der Verengung gegenüber dem statischen Druck in den Düsenabschnitten mit großem Querschnitt, in denen die Strömungsgeschwindigkeit geringer ist. Wenn nun der statische Druck vor und hinter der Düse, d. h. in den Bereichen ohne Querschnittsverengung, im wesentlichen dem atmosphärischen Druck entspricht, wird in dem Bereich der Querschnittsverengung der Düse gegenüber dem atmosphärischen Druck ein Unterdruck erzeugt. Dieser Unterdruck wirkt über die Ansaugöffnungen auf die Unterdruckleitung, in der somit ebenfalls ein Unterdruck erzeugt wird. Die Unterdruckleitung ist beispielsweise mit einer Unterdruck betätigten Servobremse verbunden.

Idealerweise erzeugen die vielen kleinen Düsen alle den Unterdruck, der dem Unterdruck entspricht, den eine einzelne Lavaldüse von strömungstechnisch entsprechender Gestalt erzeugen würde, wenn ihre Querschnitte und Längen so vergrößert sind, daß sie den gesamten Gasstrom aufnehmen könnte. Dabei ist die Länge der einzelnen Düsen in Strömungsrichtung deutlich geringer als die einer einzelnen großen Lavaldüse, so daß die gesamte Vorrichtung äußerst kompakt und insbesondere in Strömungsrichtung kurz ausgebildet werden kann. Daher kann die Vorrichtung leicht in einen vorhandenen Strömungsgleichrichter im Ansaugtrakt bzw. im Abgassystem eines Verbrennungsmotors angeordnet werden.

Vorteilhafterweise ist der Bereich, in dem sich der Querschnitt der Düse verengt steiler ausgebildet als der Bereich, in dem sich die Düse wieder aufweitet. D.h. die Düse verengt sich wesentlich schneller als sie sich wieder aufweitet. In einer derartig gestalteten Düse kann eine Gasströmung nahezu verlustfrei beschleunigt und dann wieder auf ihre ursprüngliche Geschwindigkeit verzögert werden, so daß der Energieverlust der Vorrichtung gering gehalten werden kann.

Bevorzugt entspricht die Größe der Querschnittsflächen an den Eintrittsöffnungen der Düsen jeweils der Größe der Querschnittsflächen an den Austrittsöffnungen der Düsen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß die Strömungsgeschwindigkeit hinter der Düse bzw. im Bereich ihrer Austrittsöffnung im wesentlichen identisch mit der Strömungsgeschwindigkeit vor der Düse ist.

Die Ansaugöffnungen sind vorteilhafterweise ringförmig ausgebildet und erstrecken sich jeweils im Bereich des engsten Querschnittes um den gesamten Umfang der zugehörigen Düse. Dies bedeutet, daß die Düse im Bereich ihres engsten Querschnittes geteilt ist, d. h. es gibt einen Spalt zwischen dem sich verengenden Eintrittsbereich der Düse und dem sich aufweitenden Austrittsbereich der Düse. Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit im Bereich des engsten Querschnittes der Düsen d. h. im Bereich des Spaltes, entsteht hier ein Unterdruck, der ein zu förderndes Gas durch den Spalt ansaugt und somit ebenfalls einen Unterdruck in der angeschlossen Unterdruckleitung bewirkt.

Zweckmäßigerweise ist eine Vielzahl von Düsen wabenartig angeordnet und füllt vorzugsweise den gesamten Querschnitt des Strömungskanales aus. Die einzelnen Düsen sind dabei möglichst dicht nebeneinander bzw. eng aneinander anliegend angeordnet und berühren einander in möglichst großen Bereichen ihres Umfangs bzw. an möglichst vielen Stellen ihres Umfangs. Auf diese Weise wird der Gesamtquerschnitt des Strömungskanales im wesentlichen nur um den Betrag der Verengung der einzelnen Düsen verringert, so daß trotz der Düsenanordnung, die den Strömungskanal durchströmende Gasmenge nur unwesentlich verringert wird.

Weiter bevorzugt weist zumindest ein Teil der Düsen zumindest im Bereich der Ein- und Austrittsöffnung einen kreisförmigen Querschnitt auf. Durch diesen kreisförmigen Querschnitt kann eine gleichmäßige Strömung durch die Düsen hindurch bewirkt werden, so daß der Strömungswiderstand der Düsen in dem Strömungskanal minimiert werden kann.

Zumindest ein Teil der Düsen weist vorteilhafterweise zumindest im Bereich der Ein- und Austrittsöffnungen einen eckigen, insbesondere sechseckigen Querschnitt auf. Eine solche Querschnittsform ermöglicht, die Düsen äußerst eng zueinander anzuordnen, und die Bereiche zwischen den einzelnen Düsen klein zu halten, um somit den Strömungswiderstand der Gesamtanordnung von Düsen zu minimieren. Dabei werden die Düsen vorteilhafterweise so angeordnet, daß sie nahezu die gesamte Querschnittsfläche des Strömungskanales ausfüllen.

Günstigerweise geht die Querschnittsform der Düse ausgehend von dem eckigen Querschnitt an den Ein- und Austrittsöffnungen kontinuierlich in einen kreisförmigen Querschnitt im Bereich des engsten Querschnittes über. Auf diese Weise werden im Bereich der Ein- und Austrittsöffnungen der Düsen die Zwischenräume zwischen den einzelnen Düsen minimiert, so daß der Strömungswiderstand der gesamten Anordnung einer Vielzahl von Düsen minimiert wird. Gleichzeitig kann aber der Querschnitt an der engsten Stelle der Düse, d. h. an der Einschnürung kreisförmig ausgestaltet werden, um hier eine gleichmäßige Strömung mit einer gleichmäßigen Erzeugung von Unterdruck zu bewirken.

Bevorzugt weisen die Düsen über ihre gesamte Länge eine konstante Querschnittsform auf. So kann eine äußerst gleichmäßige Strömung in der Düse erreicht werden, ohne das es zu unerwünschten Strömungsablösungen in der Düse kommt.

Die einzelnen Düsen weisen bevorzugt in Strömungsrichtung hinter ihrem engsten Querschnitt einen Abschnitt mit konstantem Querschnitt auf, von dem ausgehend sich die Düsen zu ihren Austrittsöffnungen hin aufweiten. Auf diese Weise kann eine noch gleichmäßigere Strömung erzeugt werden und es kommt zu einer noch besseren Gleichrichtung der Strömung durch die Düsen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand beiliegender Figuren beispielhaft beschrieben, in diesen zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 Ansichten entlang der Linien A-B und C-D in Fig. 1.

In einem Strömungskanal 2, beispielsweise ein Ansaugrohr eines Verbrennungsmotors, ist eine Vielzahl von Düsen 4 parallel zueinander angeordnet. Die Düsen 4 füllen im wesentlichen die gesamte Querschnittsfläche des Strömungskanales 2 aus und erstrecken sich parallel zu dem Strömungskanal 2 in Strömungsrichtung S. Die gesamte Anordnung der Düsen 4 wird dabei durch ein Einströmteil 6 und ein Ausströmteil 8 gebildet. Die Ein- und Ausströmteile 6, 8 sind jeweils einstückig, beispielsweise aus Kunststoff durch Spritzgießen gefertigt und weisen eine Vielzahl von Einströmabschnitten 10 und Ausströmabschnitten 12 auf, wobei jeweils ein Einströmabschnitt 10 und ein zugehöriger Ausströmabschnitt 12 eine der Düsen 4 bilden. Die Ein- und Ausströmteile 6, 8 sind in diesem Ausführungsbeispiel unterschiedlich ausgebildet, können jedoch auch identisch sein, wobei sie dann spiegelbildlich zueinander in dem Strömungskanal 2 angeordnet werden. Die Ein- und Ausströmteile 6, 8 sind in dem Strömungskanal 2 so angeordnet, daß zwischen ihnen ein Spalt 14 entsteht. Der Spalt 14 ist dabei so ausgebildet, daß es sich durch die engsten Querschnitte der Düsen 4 erstreckt, zwischen einem jeweiligen Einströmabschnitt 10 und einem zugehörigen Ausströmabschnitt 12. Somit entsteht im Bereich des engsten Querschnittes jeder Düse 4 eine ringförmige Ansaugöffnung 15, durch die ein zu förderndes Gas angesaugt werden kann. Das Einströmteil 6 und das Ausströmteil 8 der Anordnung von Düsen 4 sind dabei so ausgebildet, daß die zahlreichen Düsen 4 direkt aneinander angrenzen und die Ein- und Ausströmteile 6, 8 mit Ausnahme der Öffnungen, welche die Düsen 4 bilden, geschlossen sind. Dabei sind die Ein- und Ausströmteile 6, 8 so in dem Strömungskanal 2 angeordnet, daß der Spalt 14 nur über Ansaugöffnungen 15 in den Düsen 4 mit dem Strömungskanal 2 in Verbindung steht. Der Spalt 14, der sich durch sämtliche Düsen 4 erstreckt ist so ausgebildet, daß die ringförmigen Ansaugöffnungen 15 in jeder Düse 4 miteinander in Verbindung stehen und mit einer gemeinsamen Unterdruckkammer 16 verbunden sind, an welche eine Unterdruckleitung 18 zur Verbindung mit einem entsprechenden Unterdrucksystem wie beispielsweise einer Servobremse angeschlossen ist.

Die einzelnen Düsen 4 weisen in dieser Ausführungsform einen durchgehend kreisförmigen Querschnitt auf und sind derart ausgebildet, daß sie sich in ihrem Einströmabschnitt 10 in Strömungsrichtung zunächst leicht verengen, dann einen Bereich von konstantem Querschnitt 20 aufweisen, an den sich ein weiter verengender Abschnitt 22 anschließt, in dem sich der Querschnitt der Düse 4 weiter verengt. Dieser Abschnitt 22 geht dann wiederum in einen kurzen Abschnitt von konstantem Querschnitt 24 über. An diesem Abschnitt 24 schließt sich die ringförmige Öffnung 15 an, welche sich im Bereich des geringsten Querschnittes des Düse 4 befindet. Die ringförmige Öffnung 15 wird durch den Spalt 14 ausgebildet und verbindet die Unterdruckkammer 16 mit der entsprechenden Düse 4. Direkt im Anschluß an die ringförmige Öffnung 15 befindet sich in Strömungsrichtung S in dem Ausströmabschnitt 12 der Düse zunächst ein weiterer Abschnitt 26 mit konstantem Querschnitt, der einen geringfügig größeren Durchmesser als der Abschnitt 24 mit konstantem Querschnitt aufweist. Daran anschließend weitet sich die Düse 4 in Strömungsrichtung S weiter auf, bis sie an ihrem in Strömungsrichtung S abwärts gelegenen Ende wieder einen Querschnitt erreicht, der in seiner Größe der Größe der Eintrittsöffnung an dem stromaufwärtsgelegenen Ende des Einströmabschnittes 10 entspricht. Wird diese hier gezeigte Anordnung einer Vielzahl von Düsen 4 nun in Strömungsrichtung S von einer Gasströmung, welche durch den Strömungskanal 2 strömt, durchströmt, wird die Strömung in dem verengtem Abschnitt 24, 26 der einzelnen Düsen 4 beschleunigt, so daß sich der statische Druck in diesem Abschnitt verringert, d. h. ein Unterdruck entsteht, der durch die ringförmigen Öffnungen 15 und die Unterdruckkammer 16 ein Gas ansaugen kann. Dadurch entsteht in der Unterdruckkammer 16 und der Unterdruckleitung 18 ein Unterdruck, der beispielsweise zur Verstärkung eines Bremssystems verwendet werden kann. Dabei kann ein sehr großer Unterdruck bei einer gleichzeitig äußerst kompakten Bauform der Düsenanordnung, insbesondere bei sehr geringer Länge der Düsen 4 erreicht werden.

Fig. 2 zeigt Ansichten entlang der Linien A-B und C-D. In dieser Ausführungsform weisen die einzelnen Düsen 4 einen durchgehend kreisförmigen Querschnitt auf, wie in Fig. 2 zu erkennen ist. Dabei sind die einzelnen Düsen 4 so dicht wie möglich zueinander angeordnet, um dem Strömungswiderstand der gesamten Anordnung in dem Strömungskanal 2 so gering wie möglich zu halten.

Die gesamte Düsenanordnung der einzelnen Düsen 4 wird dabei durch zwei Teile, das Einströmteil 6 und das Ausströmteil 8 gebildet, welche derart beabstandet zueinander in dem Strömungskanal angeordnet werden, daß ein Spalt 14 zwischen beiden Teilen die ringförmigen Öffnungen 15 bildet. Das Einströmteil 6 und das Ausströmteil 8 können dabei jeweils als einstückiges Bauteil beispielsweise durch Spritzgießen von Kunststoff äußerst kostengünstig gefertigt werden. Abweichend von der hier gezeigten Ausführungsform können die einzelnen Düsen 4 insbesondere in ihren Endbereichen, d. h. an ihren stromaufwärtigen und ihren stromabwärtigen Enden einen sechseckigen Querschnitt aufweisen, so daß die Zwischenräume 28 zwischen den einzelnen Düsen 4 verringert werden, bzw. vollständig entfallen und die einzelnen Düsen 4 direkt aneinander angrenzen. Auf diese Weise wird der Strömungswiderstand der gesamten Anordnung weiter verringert. Dabei ist insbesondere im Randbereich, d. h. im Bereich des äußeren Umfanges des Einströmteiles 6 und des Ausströmteiles 8 auch eine Anordnung von Düsen mit anderweitiger Querschnittsform denkbar, um beispielsweise eine runde Querschnittsfläche des Strömungskanales 2 möglichst vollständig mit einer Vielzahl von Düsen 4 ausfüllen zu können. Bezugszeichenliste 2 Strömungskanal

4 Düsen

6 Einströmteil

8 Ausströmteil

10 Einströmabschnitt

12 Ausströmabschnitt

14 Spalt

15 Ansaugöffnung

16 Unterdruckkammer

18 Unterdruckleitung

20 Bereich mit konstantem Querschnitt

22 verengender Abschnitt

24 Abschnitt mit konstantem Querschnitt

26 Abschnitt mit konstantem Querschnitt

28 Zwischenräume

S Strömungsrichtung


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Erzeugung von Unterdruck mit wenigstens einem Strömungskanal (2), in dem mehrere Düsen (4) parallel zur Strömungsrichtung (5) angeordnet sind, deren Querschnitt sich jeweils ausgehend von einer Eintrittsöffnung in Strömungsrichtung (S) zunächst verengt und sich anschließend zu einer Austrittsöffnung hin wieder aufweitet, wobei jede Düse (4) im Bereich ihres engsten Querschnittes zumindest eine Ansaugöffnung (15) aufweist und die Ansaugöffnungen (15) mit zumindest einer gemeinsamen Unterdruckleitung (18) verbunden sind.
  2. 2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei welcher der Bereich, in dem sich der Querschnitt der Düse (4) verengt, steiler ausgebildet ist als der Bereich, in dem sich die Düse (4) wieder aufweitet.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Größe der Querschnittsflächen an den Eintrittsöffnungen der Düsen (4) jeweils der Größe der Querschnittsflächen an den Austrittsöffnungen der Düsen (4) entspricht.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Ansaugöffnungen (15) ringförmig ausgebildet sind und sich jeweils im Bereich des engsten Querschnittes um den gesamten Umfang der zugehörigen Düse (4) erstrecken.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher eine Vielzahl von Düsen (4) wabenartig angeordnet ist und vorzugsweise den gesamten Querschnitt des Strömungskanales (2) ausfüllt.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher zumindest ein Teil der Düsen (4) zumindest im Bereich der Ein- und Austrittsöffnungen einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher zumindest ein Teil der Düsen (4) zumindest im Bereich der Ein- und Austrittsöffnungen einen eckigen, insbesondere sechseckigen Querschnitt aufweist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Querschnittsform der Düse (4) ausgehend von dem eckigen Querschnitt an den Ein- und Austrittsöffnungen kontinuierlich in einen kreisförmigen Querschnitt im Bereich des engsten Querschnittes übergeht.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher die Düsen (4) eine über ihre gesamte Länge konstante Querschnittsform aufweisen.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die einzelnen Düsen (4) in Strömungsrichtung (S) hinter ihrem engsten Querschnitt einen Abschnitt (26) mit konstantem Querschnitt aufweisen, von dem ausgehend sich die Düsen (4) zu ihren Austrittsöffnungen hin aufweiten.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com