DE3838798A1 - Injector for combined use - Google Patents

Injector for combined use

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Abstract

The invention relates to an injector for combined use on machines by which a stream of fluid is ejected at high speed into a surrounding fluid. As an example, the exhaust stream of a motor vehicle, which is obliged to have an exhaust silencer, is retarded with the aid of an injector and its noise evolution thereby reduced. The braking energy obtained in the injector is used to cool the engine or brake, to improve the drag coefficient of the vehicle by boundary-layer suction or to obtain mechanical energy with the aid of a turbine.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Injektor zur kombinierten Nutzung.The invention relates to an injector for combined use.

An vielen Maschinen, insbesondere Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren strömen Fluide mit einem gewissen Energieinhalt ab. Diese abströmende Energie ist reine Verlustenergie des Fahrzeugantriebs.Flowing on many machines, especially motor vehicles with internal combustion engines Fluids with a certain energy content. This outflowing energy is pure Loss energy of the vehicle drive.

Ein Injektor ist eine Strömungsarbeitsmaschine ohne bewegte Teile, bei der ein Treibstrom in einer Düse beschleunigt wird und in einen sich unstetig erweiternden Saugraum strömt. Aus diesem Saugraum reißt das treibende Fluid Förderfluid mit sich in den Mischungskanal, wo es sich mit dem Förderfluid vermischt und den Mischungs­ kanal mit der Mischgeschwindigkeit u des Gesamtstroms verläßt. In einem anschließenden Diffusor wird die kinetische Energie der Gesamtströmung in potentielle Energie gewandelt.An injector is a fluid flow machine with no moving parts, in which a motive flow is accelerated in a nozzle and flows into a continuously expanding suction chamber. From this suction chamber, the driving fluid carries the conveying fluid with it into the mixing channel, where it mixes with the conveying fluid and leaves the mixing channel at the mixing speed u of the total flow. In a subsequent diffuser, the kinetic energy of the overall flow is converted into potential energy.

Ein Injektor hat als Arbeitsmaschine einen vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad von ca. 25-35%. Dennoch findet der Injektor sinnvolle Anwendungen vor allem dort, wo man Wert auf einfache, störungsfreie Maschinen oder auf wirtschaftliche Maschinen legt oder wo aus Geräusch- oder anderen Gründen Strömungsgeschwindig­ keiten herabgesetzt werden sollen.As a working machine, an injector has a comparatively poor efficiency of about 25-35%. Nevertheless, the injector finds useful applications especially there, where you value simple, trouble-free machines or economical ones Machines or wherever, for noise or other reasons, flow at high speed speed should be reduced.

Im Injektor bleibt der Impuls des Treibstroms erhalten. Nur seine mechanische Energie wird zum Teil in Wärmeenergie umgewandelt. Es ist ein Injektor in Verbindung mit einer Strömungsmaschine bekannt, bei dem zur Verbesserung der Steuerbarkeit der Strömungsmaschine mit Hilfe des Injektors kleine Strömungsvolumina vergrößert und damit auch die Strömungsgeschwindigkeiten durch Kanäle mit konstantem Querschnitt vergrößert werden können (EP 01 58 126 und US 4 75 18 179). Bei diesen Anwendungen dient der Injektor ausschließlich dazu die Steuerbarkeit der Strömungsmaschine zu ver­ bessern.The impulse of the driving current is retained in the injector. Only its mechanical energy is partially converted into thermal energy. It is an injector in connection with a turbomachine known in which to improve the controllability of the Turbomachine enlarged and small flow volumes with the help of the injector hence the flow velocities through channels with a constant cross-section can be enlarged (EP 01 58 126 and US 4 75 18 179). In these applications the injector is used only to control the controllability of the turbomachine improve.

Im Unterschied dazu dient der erfindungsgemäße Injektor dazu mehrere Zwecke gleich­ zeitig zu erfüllen.In contrast to this, the injector according to the invention serves several purposes at the same time to meet early.

Bei Flugtriebwerken und Verbrennungsmotoren sind Maßnahmen zur Geräuschminderung der schnellen Abgase obligatorisch. Eine Verminderung der Strömungsgeschwindigkeiten ist die wirksamste Maßnahme. Bei Flugtriebwerken wird an den Abströmdüsen bereits eine Vermischung des Abgasstroms mit Umgebungsluft vorgenommen und damit der Abgasstrom gebremst. Bei Auspuffanlagen wird die kinetische Energie in mehreren hintereinandergeschalteten Räumen weitgehend in Wärmeenergie umgewandelt und damit die Geschwindigkeiten abgebaut.Noise reduction measures are in place for aircraft engines and internal combustion engines of fast exhaust gases mandatory. A decrease in flow velocities is the most effective measure. In the case of aircraft engines, the exhaust nozzles are already in use a mixing of the exhaust gas flow with ambient air and thus the Exhaust gas flow braked. In exhaust systems, the kinetic energy is in several series-connected rooms largely converted into thermal energy and so the speeds are reduced.

Ziel der Erfindung ist es die so absichtlich "vernichtete" mechanische Energie am Fahrzeug noch einer sinnvollen Nutzung zuzuführen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Strömungsgeschwindigkeit in einem Injektor herabgesetzt wird und der Injektorsaugstrom oder der Mischstrom hinter dem Injektor noch zur Leistungsabgabe genutzt wird.The aim of the invention is to deliberately "destroy" the mechanical energy  Make the vehicle useful. This is achieved in that the flow rate in an injector is reduced and the Injector suction flow or the mixed flow behind the injector for power delivery is being used.

Die Abb. 1 dient der Erläuterung des erfindungsgemäßen Injektors als Teil der Auspuffanlage eines Fahrzeugs. Fig. 1 is used to explain the injector according to the invention as part of the exhaust system of a vehicle.

In einem PKW führt vom Motor 1 das Abgasrohr 2 zu einem verkürzten Auspufftopf 3 und von dort zur Treibdüse 5 eines Injektors 4. Im Injektor wird die Abgasgeschwindigkeit weiter vermindert und ein Förderstrom durch Saugrohre 10, 11, 12 angesaugt. Durch ein Mischrohr 20 mit einem anschließenden Diffusor 21 wird der Mischstrom nach außen ausgestoßen.In a car, the exhaust pipe 2 leads from the engine 1 to a shortened muffler 3 and from there to the driving nozzle 5 of an injector 4 . The exhaust gas velocity is further reduced in the injector and a delivery flow is drawn in through suction pipes 10, 11, 12 . The mixing flow is expelled to the outside through a mixing tube 20 with a subsequent diffuser 21 .

Der durch das erste Saugrohr 10 angesaugte Förderstrom dient der Bremsscheiben- Ladeluft- oder Ölkühlung. Der Saugstrom wird z. B. durch die Belüftungskanäle der Bremsscheibe gesaugt und fördert somit die Wärmeabfuhr.The delivery flow sucked in through the first suction pipe 10 is used for brake disc, charge air or oil cooling. The suction flow is z. B. sucked through the ventilation channels of the brake disc and thus promotes heat dissipation.

Der durch das zweite Saugrohr 11 angesaugte Förderstrom dient dem Antrieb eines Gebläses. Der Saugkanal 11 beginnt hinter einem Turbinenrad 16, welches durch die Druckdifferenz von Atmosphärendruck und Unterdruck im Injektorsaugraum gedreht wird.The delivery flow sucked in through the second suction pipe 11 serves to drive a fan. The suction channel 11 begins behind a turbine wheel 16 , which is rotated by the pressure difference between atmospheric pressure and negative pressure in the injector suction chamber.

Die Turbine kann aber auch durch den Mischstrom des Injektors (Saugstrom = Außenluft oder wie in EP 01 58 126 Saugstrom = Turbinenabgas) getrieben werden.The turbine can also be operated by the mixed flow of the injector (suction flow = outside air or as in EP 01 58 126 suction flow = turbine exhaust gas).

Der Vorteil derartiger Turbinen gegenüber nur vom Abgasstrom angetriebener Turbinen ist gravierend:The advantage of such turbines compared to turbines driven only by the exhaust gas flow is serious:

  • 1. Bei Abgasturbinen variiert das Durchströmvolumen sehr stark mit der Motordrehzahl und den Betriebspunkten im Motorkennfeld. Bei unverstellbaren Turbinen ist aber die Durchströmgeschwindigkeit linear abhängig vom Durchströmvolumen (Kontinuitätsgleichung). Folglich ändert sich die an der Turbine nutzbare Energie in 3. Potenz mit der Volumenänderung. Daher rühren die bekannten Erscheinungen wie das "Turbo­ loch". Bei vom Mischstrom angetriebenen ändert sich die nutzbare Energie nahezu linear mit dem Treibstromvolumen. Bei Saugstromturbinen ist die nutzbare Energie zwar wesentlich geringer als bei den beiden anderen Typen, dafür aber ist die nutzbare Energie auch bei unterschiedlichen Abgasvolumina nahezu gleich hoch.1. In exhaust gas turbines, the flow volume varies very much with that Engine speed and the operating points in the engine map. At non-adjustable turbines, however, the flow rate is linear depending on the flow volume (continuity equation). Hence changes the energy usable on the turbine in 3rd power with the Volume change. Hence the well-known phenomena like the "Turbo loch ". The usable energy changes when the mixed current is used almost linear with the drive flow volume. For suction current turbines, that is usable energy is much lower than that of the other two types, but the usable energy is also for different ones Exhaust gas volumes almost the same.
  • 2. Die Gastemperaturen an der Turbine sind wesentlich niedriger. Daher können die Turbinen billiger hergestellt werden.2. The gas temperatures at the turbine are much lower. Therefore the turbines can be manufactured cheaper.
  • 3. Die die Turbine durchströmenden Luftmassen sind gegenüber der reinen Abgasturbine stark vergrößert und damit auch das Turbinenrad. 3. The air masses flowing through the turbine are pure Exhaust gas turbine greatly enlarged, and with it the turbine wheel.  
  • 4. Die an einer Turbinenstufe abzubauende Druckdifferenz ist gering.4. The pressure difference to be reduced at a turbine stage is low.
  • 5. Vor, an und hinter der Turbine gibt es keine Drosselverluste, da sich Massenstrom und Turbinendrehzahl automatisch nach der Druckdifferenz richten.5. There are no throttling losses in front of, on and behind the turbine, since Mass flow and turbine speed automatically based on the pressure difference judge.
  • 6. In der Turbine kann teilweise die Druckdifferenz zwischen Fahrzeugvorderseite (Staudruck) und Fahrzeugheck (Saugdruck) genutzt werden.6. In the turbine, the pressure difference between Vehicle front (dynamic pressure) and vehicle rear (suction pressure) used will.
  • 7. Durch den Injektor werden die Pulsationen des Treibstroms für den Turbinenstrom gemildert.7. The pulsations of the driving current for the Turbine flow mitigated.
  • 8. Je stärker die Turbine die durchströmenden Luftmassen bremst, desto geringer ist die Abströmgeschwindigkeit aus dem Injektormischrohr und damit die Geräuschdämpfung umso höher.8. The more the turbine brakes the flowing air masses, the more the outflow speed from the injector mixing tube and so the noise reduction is all the higher.
  • 9. Durch einen an das Mischrohr 20 des Injektors sich anschließenden Diffusor 21 kann der Druck im Saugraum erniedrigt und damit die Druckdifferenz an der Turbine vergrößert werden. Durch verstellbare Öffnungen 22 im Diffusor kann dessen Drucksteigerungswirkung gesteuert und so indirekt auch die Druckdifferenz an der Turbine verändert werden.9. By means of a diffuser 21 adjoining the mixing tube 20 of the injector, the pressure in the suction space can be reduced and the pressure difference at the turbine can thus be increased. By means of adjustable openings 22 in the diffuser, the pressure increase effect thereof can be controlled and the pressure difference on the turbine can thus also be changed indirectly.

Eine derartige Turbine kann zum Antrieb eines Laders, eines Spülgebläses insbesondere bei 2-Takt-Motoren oder aber selber als Kühlgebläse oder als Saugpumpe genutzt werden.Such a turbine can be used in particular to drive a charger, a flushing fan used with 2-stroke engines or even as a cooling fan or as a suction pump will.

Das dritte Saugrohr 12 dient der Grenzschichtabsaugung am Fahrzeugheck. Am Fahrzeug ist hinter einer Abrißkante 29 in der Karosserie eine Nut 30 parallel zur Abrißkante 29. In diese Nut 30 ist ein Rohr 31 mit Schlitzen 32 darin bündig mit der Oberfläche eingebettet. Wird nun durch das Rohr 31 und damit durch die Schlitze 32 Luft abgesaugt, so wird die Luftströmung an der Abrißkante stärker umgelenkt und Ablösungen und Wirbelbildungen der Grenzschicht vermieden.The third suction pipe 12 is used for boundary layer suction at the rear of the vehicle. On the vehicle, behind a tear-off edge 29 in the body, there is a groove 30 parallel to the tear-off edge 29 . In this groove 30 , a tube 31 with slots 32 is embedded flush with the surface. If air is now sucked out through the pipe 31 and thus through the slots 32 , the air flow at the tear-off edge is deflected more strongly and detachments and eddies of the boundary layer are avoided.

Natürlich kann der Sog auch von einer mit der Abgasturbine angetriebenen Saugpumpe erzeugt werden.Of course, the suction can also be from a suction pump driven by the exhaust gas turbine be generated.

Bei PKW's ist es sinnvoll, das Absaugrohr 31 von außen auf der Karosserie zu befestigen und nur für den Unterdruckkanal des gesamten Rohres einen Durchbruch durch die Karosserie zu schaffen. Dies ist sicherlich billiger zu realisieren und die Durchbrüche durch die Karosserie sind einfacher gegen Feuchtigkeit abzudichten.In cars, it makes sense to attach the suction pipe 31 to the body from the outside and to create a breakthrough through the body only for the vacuum channel of the entire pipe. This is certainly cheaper to implement and the breakthroughs through the body are easier to seal against moisture.

Abb. 2 zeigt das Prinzip eines Abgasinjektors 40, bei dem die Treibdüse 41 mit Hilfe eines Dorns 42 verstellbar ist. Dieser Dorn 42 wird durch die Differenz von Abgas- und Ladedruck eingestellt. Die Saugstromturbine 45 treibt ein Gebläse, welches den Druck auf der einen Seite des den Dorn 42 einstellenden Kolben 46 erzeugt. Auf die andere Kolbenseite wirkt der Abgasdruck. Fig. 2 shows the principle of an exhaust gas injector 40 , in which the driving nozzle 41 is adjustable with the aid of a mandrel 42 . This mandrel 42 is set by the difference between exhaust gas and boost pressure. The suction flow turbine 45 drives a blower, which generates the pressure on one side of the piston 46, which sets the mandrel 42 . The exhaust gas pressure acts on the other side of the piston.

Claims (6)

1. Maschine, an der ein Fluidstrom mit hoher Geschwindigkeit in ein umgebendes Fluid ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abbremsung des Fluidstroms relativ zur Maschine ein Injektor eingesetzt wird und die Bremsenergie als Injektorleistung des Mischstroms oder des Saugstroms des Injektors zur Abgabe von mechanischer Leistung, zur Kühlung oder zur Verbesserung des Strömungswiderstandes der Maschine genutzt wird.1. Machine on which a fluid stream is expelled at high speed into a surrounding fluid, characterized in that an injector is used to brake the fluid stream relative to the machine and the braking energy as the injector power of the mixed stream or the suction stream of the injector to deliver mechanical power , is used for cooling or to improve the flow resistance of the machine. 2. Maschine unter Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor zur Schalldämpfung durch Geschwindigkeitsverringerung schnell abströmender Gase eingesetzt wird und gleichzeitig die mechanische Injektorleistung zur Abgabe von Nutzarbeit verwendet wird.2. Machine under claim 1, characterized, that the injector for sound attenuation by speed reduction quickly outflowing gases is used and at the same time the mechanical injector performance is used to provide useful work. 3. Maschine unter Patentanspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auspuffgase eines Verbrennungsmotors als Treibstrom des Injektors genutzt werden und der Injektor einen Teil der Abgasschalldämpfungsanlage darstellt.3. Machine under claim 1, 2, characterized, that the exhaust gases of an internal combustion engine are used as the driving current of the injector and the injector forms part of the exhaust noise control system. 4. Maschine unter Patentanspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor 21 des Injektors mit verstellbaren Öffnungen 22 versehen ist, die zum Umgebungsdruck geöffnet werden können und mit denen der Druck im Saugraum, Mischrohr und Diffusor veränderbar ist.4. Machine under claims 1-3, characterized in that the diffuser 21 of the injector is provided with adjustable openings 22 which can be opened to the ambient pressure and with which the pressure in the suction chamber, mixing tube and diffuser can be changed. 5. Maschine unter Patentanspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß sie an einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor eingesetzt wird und der Saugstrom des Injektors oder der Mischstrom des Injektors
  • a) zur Kühlung von Motor, Bremsen, Ladeluft oder Schmieröl genutzt wird und/oder
  • b) zum Antrieb einer Turbine genutzt wird und/oder
  • c) zur c w -Wert-Verbesserung eines Fahrzeugs genutzt wird.
5. Machine under claim 1-4, characterized in that it is used in a motor vehicle with an internal combustion engine and the suction flow of the injector or the mixed flow of the injector
  • a) is used to cool the engine, brakes, charge air or lubricating oil and / or
  • b) is used to drive a turbine and / or
  • c) is used to improve the c w value of a vehicle.
6. Maschine unter Patentanspruch 1-5, die zur Grenzschichtabsaugung genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr 31 mit den Absaugöffnungen 32 von außen auf der Karosserie befestigt wird.6. Machine under claims 1-5, which is used for boundary layer suction, characterized in that the tube 31 is attached to the suction openings 32 from the outside on the body.
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