Die Erfindung betrifft ein fluidisches Schaltelement gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Sie bezieht sich auf Auspuffvorrichtungen für Gase von Kraft- und
Arbeitsmaschinen.
Die gesetzlichen Forderungen nach Lärmreduktion und Minderung von
Schadstoffanteilen in den Abgasen von Verbrennungsmotoren führen zu immer komplexeren
Abgasanlagen.
Es entstehen Abgasanlagen mit immer größeren Strömungswiderständen.
Der steigende Energieaufwand muß vom Motor bereitgestellt werden. Gleichzeitig steigen
auch die Kosten für diese Anlagen.
Dem stehen die Forderungen der Fahrzeughersteller nach Verminderung
der Kosten, des Gewichts, des Kraftstoffverbrauchs und des Einbauraumes gegenüber.
Zur Lösung dieses Zielkonflikts werden zunehmend Mittel zur Steuerung
und Lenkung der Abgase durch unterschiedliche Behandlungsvorrichtungen eingesetzt.
Die überwiegende Mehrheit der technischen Lösungen zur Stoffstromschaltung
in Abgasanlagen betreffen mechanische Klappen und Ventile:
in Schalldämpfern: Sonderdruck MTZ Motortechnische Zeitschrift 53 (1992) Heft 7/8
8 S.; DE 19729666 A1;
EP 0902171 A1; DE
6 94 13 493 A1; US 5,821,474 A;
US 5,801,343 A; US
5,744,762 A; US 5,739,483 A;
In Verbindung mit Abgaswärmetauschern:
DE 198 17 391 A1; DE
197 15 939 C1; DE 198 17 340 A1
zur Abgasrückführung: DE 196 37 078 A1.
Bei Einsatz mechanischer Schaltelemente und Klappen treten folgende
Probleme auf: Je näher das Schaltelement am Verbrennungsmotor angeordnet ist, um
so höher sind die Temperaturen, die auf die Festigkeit der Bauteile einen erheblichen
Einfluß haben. Es müssen z.B. hochwertigere Lagerwerkstoffe aus Keramik eingesetzt
werden. Abgasanlagen unterliegen gleichzeitig hohen mechanischen Anforderungen.
Es treten Schwingungen mit Belastung bis zu 50-facher Erdbeschleunigung auf, zusätzlich
wirken Temperaturwechsel- insbesondere Thermoschockbeanspruchungen.
Metallische Federwerkstoffe erreichen bei 700°C ihre Einsatzgrenze.
Darüber hinaus können keramische Federn eingesetzt werden. Die einzusetzenden
Materialien werden mit steigenden Temperaturen immer teurer.
Der Vorteil dieser Lösungen besteht darin, daß die geometrischen Abmessungen
denen der zu- und abführenden Rohrleitungen und der Gesamtanlage angemessen sind.
Mechanische Bauteile, bestehend aus Welle und Lager, erfordern immer
ein definiertes Spiel, das bei kalter Anlage größer ist als im betriebswarmen Zustand.
Diese Spalte führen zu folgenden Problemen:
- – Zu große Spalte verursachen durch die radiale Bewegung zwischen Welle
und Lager Klappergeräusche. Große Spalte setzen auch die Lebensdauer der Bauelemente
herab.
- – Undichtheiten infolge großer Lagerspalte oder zwischen Verschlußorgan
und Gehäuse erzeugen Pfeifgeräusche.
- – Zu kleine Spalte im Lager führen infolge Verschmutzung oder unterschiedlicher
Wärmeausdehnung von Welle und Lager zu Verklemmungen, die die Öffnungs- und Schließbewegungen
des Verschlußorgans behindern.
Die Behebung dieser Probleme führt zu aufwendigeren Lösungen.
Eine Alternative wären fluidisch wirkende Schaltelemente.
Eine Zusammenfassung zum Fachgebiet fluidische Schaltelemente beschreibt
A.W. Rechten, Fluidik, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1976, 244 S.
Will man die darin abgebildeten und vermaßten Haftstrahlelemente maßstabsgetreu
auf Abgasanlagen übertragen, entstehen Schaltelemente, die in ihrem Abmessungen
wesentlich größer sind als die eigentlichen zu schaltenden Anlagenteile bzw. Behandlungsvorrichtungen.
Damit sind diese Elemente in der dargestellten Form für den beabsichtigten Einsatz
in Abgasanlagen unbrauchbar. Das betrifft auch die Übertragung der in der Fluidik
üblichen Geometrien auf rotationssymmetrische Strukturen, wie sie in DE
197 29 563 A1 dargestellt wurden.
Zur Aufrechterhaltung stabliler Schaltzustände wird eine Zirkulationsströmung
benötigt, die in den bekannten technischen Lösungen durch eine konkave Prallfläche
(DE 197 29 563 A1) bzw. eine Ausnehmung
im Keil zwischen den beiden Ausgängen (A.W. Rechten S. 92) erzeugt wird. Diese Ausnehmung
bzw. konkave Ringfläche ist gegenüber dem engsten Strömungsquerschnitt angeordnet.
Im engsten Strömungsquerschnitt treten die größten Strömungsggeschwindigkeiten auf.
Diese hohen Strömungsgeschwindigkeiten führen in Verbindung mit den beschriebenen
Vorrichtungen und ihre Anordnung zu großen Strömungsverlusten im Schaltraum. Sie
bewirken große Gegendrücke in der Abgasanlage.
Hohe Gegendrücke sind aber nicht erwünscht.
Außerdem sind diese Lösungen nicht sehr platzsparend. Auch TESAR V.
"Großmaßstäbliche fluidische Ventile für die Durchflußsteuerung"
messen – steuern – regeln, Bd. 26 (1983) 4 S. 189 ff sowie J. Loll und
K. Thomas messen – steuern – regeln, Bd. 26 (1983) 4 S. 186 ff beschreiben
fluidische Schaltelemente, die im wesentlichen den Coanda-Effekt als Wandeffekt
und den Wirbeleffekt nutzen.
Auch diese Schaltelemente sind mit bis zu 1000 mm Baulänge, bei vergleichbaren
Rohrabmessungen, für den Einsatz in PKW-Abgasanlagen zu groß.
Der Coanda-Effekt als Haftströmung entlang gekrümmter Wände wird in
zahlreichen weiteren Patenten genutzt: US
5,435,489 A; US 5,577,294 A;
US 5,957,413 A; US
5,438,429 A; US 5,658,141 A.
Ein weiteres fluidisches Bauelement, das das Anhaften eines ringförmigen
Strahles an die die Strömung umgebende feste Wandung nutzt, wird in DE
196 45 733 A1 beschrieben.
Innerhalb der Coanda-Tulpe ist eine ebene Stauscheibe als Verdrängerkörper
angeordnet. Diese Vorrichtung dient zur Beschickung von Rundbecken mittels Abwasser.
Die Coanda-Tulpe wird als eine an die Rohrleitung ansatzlos anschließende trompetenförmige
symmetrische Aufweitung beschrieben, wobei die Stauscheibe konzentrisch innerhalb
der Aufweitung angeordnet und längs der Symmetrieachse von Rohr und Tulpe verschiebbar
ausgebildet ist. Die gewollte Wirkung besteht darin, die Strömungsgeschwindigkeit
im Ringspalt zu verändern, um das Absetzverhalten an das jeweilige Absetzbecken
anzupassen und zu maximieren. Die Coanda-Tulpe wird auch in US
5,628,903 A; US 5,591,348 A;
und 5,423,986 A für Absetzaufgaben verwendet.
Eine Schaltung der Stoffströme in verschiedene Strömungsrichtungen
ist hiermit nicht möglich.
All diese Offenlegungen haben gezeigt, daß bei Verwendung einer ebenen
Stauscheibe nur eine Strömung entlang der Coanda-Tulpe erzeugt werden kann.
Lösungen, die stabile Schaltungen in einem Haftstrahlelement erreichen,
ordnen eine Ausnehmung oder eine konvexe Prallfläche genau gegenüber dem zwischen
äußerem Kanalabschnitt und Verdrängerkörper freigegebenen Ringspalt an. Derartige
Schaltelemente bauen sehr groß und erzeugt erhebliche Strömungsverluste.
Die Steuerung erfolgt durch äußere Druckimpulse, die über Leitungen
zu den Öffnungen im Verdrängerkörper bzw. im äußeren Kanalabschnitt geführt werden
und auf die Strömung wirken.
Ein fluidisches Schaltelement der gattungsgemäßen Art ist bekannt
aus der DE 197 09 432 A1. Bei diesem
rein strömungstechnisch funktionierenden Schaltelement weist der Verdrängerkörper
einen Kopf in Form eines Paraboloids und einen im wesentlichen konischen Nachlauf
auf, wobei zwischen dem Kopf und dem Nachlauf ein Durchmessersprung besteht, in
welchen Kanäle für die Einblasung eines Steuerfluids münden. Dieses bekannte fluidische
Schaltelement erscheint im Hinblick auf die Stabilität der beiden Schaltzustände
sowie im Hinblick auf die Strömungsverluste nicht optimal.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltelement für Abgasanlagen
zu entwickeln, das keine mittels Welle und Lager geführte Verschluß- bzw. Schaltelemente
im Abgasstrom benötigt, keine dadurch bedingte Abdichtung nach außen erfordert,
geringere Strömungsverluste produziert, stabile Schaltzustände ermöglicht, einen
geringen mechanischen Fertigungsaufwand verursacht, annehmbare geometrische Abmessungen
im Vergleich zur Gesamtanlage zuläßt und aus sich selbst heraus den Stoffstrom steuert,
zusätzlich aber auch die Erweiterung auf einen bedarfsbedingten Fremdeingriff zuläßt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein fluidisches Schaltelement
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das Hybridschaltelement besteht aus einem Zuströmkanal, einer Coanda-Tulpe,
mindestens zwei Auslaßkanälen und einem Verdrängerkörper. Der Verdrängerkörper ist
im Bereich der Coanda-Tulpe angeordnet.
Der Zuströmkanal ist entweder als einfaches zylindrisches Rohr oder
mit einer zusätzlichen konischen Erweiterung mit anschließendem zylindrischen Kanalabschnitt
ausgebildet. Die Coanda-Tulpe schließt an einem zylindrischen Bereich des Zuströmkanals
an.
Erfindungsgemäß besteht der Verdrängerkörper aus einer ebenen Anströmfläche,
einem zylindrischen Mantelabschnitt und einem kugelförmigen Nachlauf.
Die ebene Anströmfläche des Verdrängerkörpers ist im Bereich des Ansatzes
der Coanda-Tulpe an den zylindrischen Abschnitt des Zuströmkanals bewegbar angeordnet.
Die Auslaßkanäle sind vorzugsweise konzentrisch angeordnet. Der äußere
Auslaßkanal schließt stromabwärts unmittelbar an die Coanda-Tulpe an. Der innere
Auslaßkanal befindet sich in einem Abstand hinter dem Verdrängerkörper. Beide Auslaßkanäle
untergliedern sich in zwei Abschnitte. Der erste Abschnitt, der außen an die Coanda-Tulpe
und innen in einem Abstand hinter dem Verdrängerkörper beginnend anschließt, kennzeichnet
den jeweiligen Fangraum, der vorzugsweise mittels konzentrischer, konischer Kanalbereiche
gebildet wird. Der jeweils zweite Abschnitt bildet den Anschluß an den jeweiligen
Strömungsweg.
Die Wirkungsweise der Erfindung ist folgende:
Durch den Zuströmkanal fließt der ungeteilte Abgasstrom dem Hybridschaltelement
zu.
In einer ersten Schaltposition befindet sich die ebene Anströmfläche
in der Ebene die aus dem Ansatz der Coanda-Tulpe an den zylindrischen Kanalabschnitt
gebildet wird. Die Strömung teilt sich, formt eine Ringströmung, die innen unmittelbar
an der Kante, die die ebenen Anströmfläche mit dem zylindrischen
Mantel bildet, ablöst, sich im äußeren Bereich an die Coanda-Tulpe anlegt und in
den äußeren Auslaßkanal abgeleitet wird.
Im Nachlauf des Verdrängerkörpers entsteht eine Wirbelzone, die sich
vom Nachlauf der ebenen Abströmfläche bis in den inneren Auslaßkanal erstreckt und
den inneren Auslaßkanal strömungstechnisch verschließt.
In einer zweiten Schaltposition befindet sich die ebene Anströmfläche
stromaufwärts im zylindrischen Kanalabschnitt des Zuströmkanals.
Die Strömung bildet unmittelbar hinter der Kante der ebenen Anströmfläche
auf dem Umfang der zylindrischen Mantelfläche einen Ablösewirbel, doch die Strömung
wird gezwungen, sich wieder an die Mantelfläche des Verdrängerkörpers anzulegen.
Die Strömung richtet sich axial aus und löst nun im äußeren Bereich
von der Coanda-Tulpe ab. Die Strömung wird nun vom Verdrängerkörper so geführt,
daß sie sich auch im Nachlauf des Verdrängerkörpers anlegt und durch den inneren
Auslaßkanal abgeleitet wird. Im Nachlauf der Coanda-Tulpe bildet sich ein umlaufender
Ringwirbel, der den äußeren Auslaßkanal strömungstechnisch verschließt.
Die Schaltung der Strömung wird erfindungsgemäß durch folgende Vorgänge
eingeleitet:
Die autonom wirkenden Lösungen:
Eine erste autonom wirkende Lösung nutzt das Gleichgewicht zwischen der Kraft des
Staudrucks und einer Feder, die vorzugsweise im Inneren des Verdrängerkörpers angeordnet
ist.
Bei geringem Abgasmassenstrom befindet sich die ebene Anströmfläche
in einer ersten Schaltlage innerhalb des zylindrischen Kanalabschnitts.
Die Strömung legt sich an die Mantelfläche des Verdrängerkörpers an
und wird durch die erfindungsgemäße Form des Verdrängerkörpers dem innenliegenden
Auslaßkanal zugeführt. Mit steigendem Abgasmassenstrom steigt der Staudruck auf
die ebene Anströmfläche. Die Anströmfläche verschiebt sich bis der 2. Schaltpunkt
im Ansatzbereich der Coanda-Tulpe erreicht ist. Die Strömung legt sich nicht mehr
an die zylindrische Mantelfläche des Verdrängerkörpers, sondern an die Coanda-Tulpe
an und gelangt durch den äußeren Auslaßkanal.
Eine weitere autonom wirkende Lösung nutzt die Wärmeausdehnung fester,
flüssiger oder gasförmiger Mittel, die beispielsweise im Inneren des Verdrängerkörpers
zur Bewegung der ebenen Anströmfläche angeordnet sind.
Eine fremdgesteuerte Lösung verbindet erfindungsgemäß einen äußeren
Druck- oder Unterdruckgeber mit dem Innenraum des Verdrängerkörpers. Durch die Wechselwirkung
von Staudruck, Innendruck, Federelement und äußerem Druckgeber kann man die Anströmfläche
je nach Wunsch positionieren. Auch die Verschiebung des vollständigen Verdrängerkörpers
ist möglich.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen darin, daß sowohl
autonom- als auch fremdgesteuerte Ausführungen möglich sind und die vielfältigen
Einsatzbedingungen abgedeckt werden können.
Autonome Lösungen sind insbesondere für den Einsatz in semiaktiven
Schalldämpfern von Interesse, wenn bei einem geringen Abgasmassenstrom ein erster
Strömungsweg und bei höherem Abgasmassenstrom ein 2. Strömungsweg oder beide Strömungswege
zu bevorzugen sind.
Anhand von Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung
näher erklärt werden.
1 Hybridschaltelement in Schaltzustand
1
2 Hybridschaltelement in Schaltzustand
2.
3 Hybridschaltelement mit geschlossenem
Verdrängerkörper und zusätzlicher Verbindungsleitung zu einem externen Druckgeber
Die 1 und 2
zeigen das Hybridschaltelement, bestehend aus einem Zuströmkanal 1 mit
konischer Erweiterung 2 und zylindrischem Kanalabschnitt 3, daran
schließen die Coanda-Tulpe 5 und ein äußerer Auslaßkanal 11 mit
Fangraum 13 an. Der innere Auslaßkanal 12 mit Fangraum
14 befindet sich stromabwärts hinter dem Verdrängerkörper 6. Der
Verdrängerkörper 6 besteht aus einer ebenen Anströmfläche 7 mit
äußerer Kante 15, einem zylindrischen Mantel 8, einem Nachlauf
9 und einer als Feder ausgebildeten Stelleinrichtung 10, die sich
im Inneren des Verdrängerkörpers 6 abstützt.
In einer vorteilhaften Ausführung enthält der Zuströmkanal
1 eine konische Erweiterung 2 und einen weiteren zylindrischen
Kanalabschnitt 3.
In 1 befindet sich die ebene Anströmfläche
7 im Bereich des Ansatzes 4 der Coanda-Tulpe 5 an den
zylindrischen Kanalabschnitt 3.
In 2 ist die ebene Anströmfläche
7 in den zylindrischen Kanalabschnitt 3 verschoben.
In einem ersten Ausführungsbeispiel besteht die Schaltaufgabe darin,
bei niedrigem Massendurchsatz das Abgas durch einen inneren Auslaßkanal
12 zu leiten. Bei großem Massenstrom soll das Abgas durch den Ringquerschnitt
zwischen äußerem Auslaßkanal 11 und innerem Auslaßkanal 12 abgeleitet
werden.
Die Feder als Stelleinrichtung 10 befindet sich in der Ausgangssituation
bei niedrigem Abgasmassenstrom 20 in einem definierten Vorspannungszustand.
Die ebene Anströmfläche 7 ist im zylindrischen Kanalabschnitt
3 positioniert. Der Abgasmassenstrom 20 teilt sich an der ebenen
Anströmfläche 7, löst an der äußeren Kante 15 ab, bildet einen
kleinen Ablösewirbel 16, der aber erlaubt, daß sich das Fluid wieder an
die zylindrische Mantelfläche 8 des Verdrängerkörpers 6 anlegt.
An der Innenfläche der Coanda-Tulpe 5 löst der
Abgasmassenstrom 20 ab und bildet ein umlaufendes Wirbelgebiet
17, das die Strömung stabilisiert und zum inneren Fangraum 14
bzw. zum inneren Auslaßkanal 12 führt. Mit steigendem Massendurchsatz erhöht
sich der Staudruck auf die ebene Anströmfläche 7. Die ebene Anströmfläche
7 verschiebt sich axial in Strömungsrichtung. Im Schaltpunkt
2 befindet sich die ebene Anströmfläche 7 in Bereich des Ansatzes
4 der Coanda-Tulpe 5. Die Form der Strömung schlägt um und bildet
sich jetzt gemäß 1 aus. Der Abgasmassenstrom
20 legt sich, nicht mehr an die Mantelfläche 8 des Verdrängerkörpers
6 an. Es bildet sich hinter dem Nachlauf 9 ein großes Wirbelgebiet
18, das von der Kante 15 bis zum inneren Fangraum 14
reicht und den innenliegenden Auslaßkanal 12 strömungstechnisch verschließt.
Auf dem äußeren Umfang legt sich der Abgasmassenstrom 20
an die Coanda-Tulpe 5 an, bildet eine stabile Ringströmung 19,
die über den äußeren Fangraum 13 und den äußeren Auslaßkanal
11 abgeleitet wird.
Ist gefordert, daß im Schaltpunkt 2 ein Teil des Abgases
weiterhin durch den inneren Auslaßkanal 12 strömt, erweitert man den inneren
Fangraum 14 so, daß ein Teil der Ringströmung 19 auch durch den
inneren Auslaßkanal 12 abgeleitet wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, 3,
ist anstelle des Federelements 10 ein Wellrohrkompensator 22 zwischen
Anströmfläche 7 und Mantelfläche 8 angeordnet.
Der komplette Verdrängerkörper 6 bildet einen geschlossenen
Hohlkörper, der mit einem Fluid gefüllt ist. Die Wärmedehnung des eingeschlossenen
Fluides führt bei Temperaturerhöhung zur Verschiebung der ebenen Anströmfläche
7. Je nach der Temperatur des Abgases, der Größe des Staudrucks auf die
Anströmfläche 7 und der Federsteifigkeit des Wellrohrkompensators
22 lassen sich so weitere autonome Schaltkombinationen erzeugen.
Den Variationsmöglichkeiten zur Lageveränderung der Anströmfläche
7 sind keine Grenzen gesetzt.
Will man das System fremd ansteuern, verbindet man zusätzlich den
druckdicht abgeschlossenen Verdrängerkörper 6 gemäß 3
über eine Verbindungsleitung 21 mit einem externen druckmittelbetriebenen
Stellorgan 23. Die Lage der Anströmfläche 7 kann man so pneumatisch
oder hydraulisch durch die Vergrößerung oder Verkleinerung des Innendrucks verändern.
1
- Zuströmkanal
2
- konische Erweiterung
3
- zylindrischer Kanalabschnitt
4
- Ansatz
5
- Coanda-Tulpe
6
- Verdrängerkörper
7
- ebene Anströmfläche
8
- zylindrischer Mantel
9
- Nachlauf
10
- Stelleinrichtung
11
- äußerer Auslaßkanal
12
- innerer Auslaßkanal
13
- äußerer Fangraum
14
- innerer Fangraum
15
- Kante
16
- Ablösewirbel
17
- Umlaufendes Wirbelgebiet
18
- Wirbelgebiet
19
- Ringströmung
20
- Abgasmassenstrom
21
- Verbindungsleitung
22
- Wellrohrkompensator
23
- druckmittelbetriebenes Stellorgan
24
- Fluid
