EP1244867B1 - Strömungsschalter - Google Patents

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EP1244867B1
EP1244867B1 EP00985258A EP00985258A EP1244867B1 EP 1244867 B1 EP1244867 B1 EP 1244867B1 EP 00985258 A EP00985258 A EP 00985258A EP 00985258 A EP00985258 A EP 00985258A EP 1244867 B1 EP1244867 B1 EP 1244867B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
switch according
flow switch
coanda
impinged
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP00985258A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1244867A2 (de
Inventor
Marek Birke
Gerhard Elfinger
Wolfgang Hahnl
Jürgen Klement
Andreas Mayr
Mark Olesen
Klaus Regenold
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Original Assignee
ArvinMeritor Emissions Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ArvinMeritor Emissions Technologies GmbH filed Critical ArvinMeritor Emissions Technologies GmbH
Publication of EP1244867A2 publication Critical patent/EP1244867A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1244867B1 publication Critical patent/EP1244867B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N13/00—Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features
    • F01N13/08—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits
    • F01N13/087—Other arrangements or adaptations of exhaust conduits having valves upstream of silencing apparatus for by-passing at least part of exhaust directly to atmosphere
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N1/00—Silencing apparatus characterised by method of silencing
    • F01N1/16—Silencing apparatus characterised by method of silencing by using movable parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15C—FLUID-CIRCUIT ELEMENTS PREDOMINANTLY USED FOR COMPUTING OR CONTROL PURPOSES
    • F15C1/00—Circuit elements having no moving parts
    • F15C1/08—Boundary-layer devices, e.g. wall-attachment amplifiers coanda effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15C—FLUID-CIRCUIT ELEMENTS PREDOMINANTLY USED FOR COMPUTING OR CONTROL PURPOSES
    • F15C3/00—Circuit elements having moving parts
    • F15C3/002—Circuit elements having moving parts using fluid droplets or similar deformable bodies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N2410/00—By-passing, at least partially, exhaust from inlet to outlet of apparatus, to atmosphere or to other device

Definitions

  • the invention relates to a flow switch according to the Preamble of claim 1.
  • the Flow switch comprises thus an inflow channel, a Coanda tulip, at least two outlet channels and a displacement body.
  • the Displacer is in the field of Coanda tulip arranged.
  • the displacer has an inflow surface on, which is downstream of a jacket in the flow direction; According to the invention, the position is at least the inflow area changeable in the flow direction.
  • the inventively provided Lüver Siere the Flow surface of the displacer in the flow direction favors in conjunction with the other features of the switching element according to the invention the reproducibility of Switching point, i. she strongly supports that Switching element as precisely as possible at a certain, predetermined switching point of a first switching state switches a second switching state. This applies regardless of whether the flow switch as passive Switching element or as active, externally controlled Switching element (s.u.) Is executed.
  • a first preferred embodiment of the invention is characterized This is characterized by the fact that only the Anströmplatte with the Flow surface is variable in position, whereas the remaining components of the displacer stationary are arranged; This results in a special low construction costs. This construction is not absolutely; Rather, for example, together with the Anströmplatte also a part of the jacket of the displacer or the entire jacket in the flow direction be variable in position.
  • the inflow channel can be designed as a simple cylindrical tube to which the Coanda tulip immediately adjoins. However, it is particularly preferred as cylindrical Pipe with an additional conical extension followed by a preferably cylindrical channel section educated.
  • the Coanda tulip closes at this Embodiment of the invention advantageously to those cylindrical channel section on.
  • the jacket of the displacer is preferably in essentially cylindrical. At specific Switching tasks, however, the jacket can also special forms have, for example, by being conical or barrel-like is trained.
  • the displacer is preferred dimensioned and arranged so that the inflow surface inside the Coanda Tulip or in an upstream arranged for this cylindrical channel section is.
  • the jacket is preferably in the extension area the Coanda tulip; he extends in this case completely or partially within the Coanda tulip.
  • the Outlet passages are preferably arranged concentrically and provided with catching spaces in their flow cross-section larger than the actual outlet channels are formed.
  • the outer outlet channel closes expediently immediately to the Coanda tulip.
  • the displacement body is or at least partially formed as a hollow body.
  • a level Inflow area which in the flow direction is a cylindrical Pipe section is arranged downstream as a jacket.
  • the handling of the solution according to the invention can done two ways: either works the flow switch out of oneself, passively, autonomously, or the Switching is done externally by an active, manual and / or control engineering initiated arbitrarily.
  • the autonomous shift task is advantageous.
  • the location depends on the concrete process parameters and the flow guidance in the System off.
  • the by usually two axial position positions of the flat inflow surface inside the Coanda tulip and / or the inflow pipe is limited and by the additional described above Measures can be postponed.
  • the limits show up by unstable flow conditions, which are by a mutual turning of the flow in the represent one or the other switching direction. Outside These limits are not switched.
  • the fluid flows along the Coanda tulip radially outward. Except for Borders, the flow is axially aligned.
  • the Inflow channel flows the undivided exhaust gas flow to the Flow switch too.
  • a first switching position For example, if the inflow surface is in the plane, from the approach of the Coanda tulip to the cylindrical one Channel section is formed.
  • Downstream of the displacer creates a vortex zone extending from the wake to extends into the inner outlet channel and the inner Outlet channel closes fluidically.
  • a second switching position is the inflow surface upstream of the position of the first shift position, and although in the cylindrical channel section of the inflow channel.
  • the Flow forms immediately behind the outer edge of the Anströmplatte on the circumference of the lateral surface a separation vortices, but the current is forced to turn back on to apply the lateral surface of the displacer.
  • the Flow aligns axially and now dissolves in the outer Area from the Coanda tulip.
  • the flow is now from the Displacer guided so that they are also in the wake the displacement body applies and through the inner outlet channel is derived.
  • the outer outlet channel fluidically closes.
  • a first autonomous solution uses equilibrium between the force of acting on the inflow surface Dynamic pressure and one on the movable Anströmplatte acting spring, preferably inside the Displacer is arranged.
  • At low exhaust gas mass flow is for example the flat inflow surface in a first switching position within the cylindrical channel section.
  • the flow attaches to the lateral surface of the displacer and is due to the inventive shape of the displacement supplied to the internal outlet channel.
  • With rising Exhaust gas mass flow increases the back pressure on the inflow.
  • the inflow area shifts in the direction of flow against the restoring force of the spring until the second switching point at the base of the Coanda tulip is reached.
  • the current is no longer attached to the cylindrical outer surface of the displacer, but at the Coanda tulip and passes through the outer outlet channel.
  • Another switching area is located inside the Coanda tulip. He is through the second one described above Border marked.
  • the inflow is initially so arranged the flow along the Coanda tulip in the outer flow channel is derived.
  • Another autonomous solution uses thermal expansion solid, liquid or gaseous medium, the for example, in the interior of the displacer for Movement of the inflow surface are arranged.
  • thermal expansion solid, liquid or gaseous medium the for example, in the interior of the displacer for Movement of the inflow surface are arranged.
  • an externally controlled solution for example, a external pressure or vacuum sensor with the interior of the Displacer connected.
  • a possibly provided spring element and external pressure sensor can be the inflow depending on Position your wish. Also the shift of complete displacement is possible.
  • Autonomous solutions are especially for use in Semi-active mufflers of interest, if at one low exhaust gas mass flow a first flow path and at higher exhaust gas mass flow a second flow path or Both flow paths are to be preferred.
  • Figures 1 and 2 show that as a hybrid switching element executed flow switch, consisting of a Inflow channel 1 with conical extension 2 and cylindrical channel section 3, to which the Coanda tulip 5 and an outer outlet channel 11 with trap 13th connect.
  • the inner outlet channel 12 with trap 14th is located downstream of the displacer 6.
  • the displacement body 6 has a front side on a Anströmplatte 25 arranged flat inflow 7 with outer edge 15, a cylindrical shell 8, a Caster 9 and designed as a spring actuator 10, which is supported inside the displacer 6, on.
  • the Anströmplatte 25 is in the flow direction slidably guided, by means of the central Guide rod 26.
  • the inflow channel 1 comprises a conical Extension 2 and another cylindrical channel section Third
  • the flat inflow surface 7 is in Area of the approach 4 of Coanda tulip 5 to the cylindrical channel section 3.
  • Figure 2 is the plane Inflow surface 7 due to the on the inflow acting low dynamic pressure, the one from FIG. 1 reduced mass flow results, contrary to Flow direction in the cylindrical channel section. 3 moved into it.
  • the switching task therein at low mass flow rate, the exhaust gas to pass through an inner outlet channel 12.
  • the exhaust gas at large Mass flow should be the exhaust gas through the ring cross-section between outer outlet channel 11 and inner outlet channel 12th be derived.
  • the spring as adjusting device 10 is located in the Initial situation with low exhaust gas mass flow 20 in a defined bias state.
  • the flat inflow surface 7 is in the cylindrical channel section 3rd positioned.
  • the exhaust gas mass flow 20 is divided at the plane leading surface 7, triggers at the outer edge 15, forms a small detachment vertebra 16, but allows that the fluid again to the cylindrical surface 8th of the displacer 6 applies.
  • On the inner surface of the Coanda tulip 5 triggers the exhaust gas mass flow 20 and forms a rotating vortex area 17, which is the flow stabilized and the inner trap 14 and the inner Outlet channel 12 leads.
  • Increases with increasing mass flow the dynamic pressure on the flat inflow surface 7.
  • the plane Run-on surface 7 shifts axially in the flow direction.
  • the flat inflow surface 7 is in Range of approach 4 of the Coanda tulip 5.
  • the shape of the Flow changes and now forms according to FIG.
  • the exhaust gas mass flow 20 no longer settles on the lateral surface 8 of the displacer 6 at. It is behind the caster 9 a large vortex area 18, which of the Edge 15 extends to the inner catching space 14 and the internal outlet channel 12 fluidically closes.
  • the exhaust gas mass flow sets 20 at the Coanda Tulip 5 forms one stable ring flow 19, which over the outer trap 13th and the outer outlet channel 11 is derived.
  • Figure 3 is instead of the spring element 10, a bellows compensator 22nd arranged between the inflow surface 7 and lateral surface 8.
  • a bellows compensator 22nd arranged between the inflow surface 7 and lateral surface 8.
  • the complete displacement body 6 forms a closed Hollow body, which is filled with a fluid.
  • the thermal expansion of the trapped fluid adds Temperature increase to shift the flat inflow surface 7.
  • the size of the Back pressure on the inflow surface 7 and the spring stiffness of the corrugated pipe 22 can be so more autonomous Create switching combinations.
  • Anström Formation 7 can be so pneumatic or hydraulic by increasing or decreasing the internal pressure change.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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 - je nach Betriebspunkt des Motors - unterschiedliche Behandlungsvorrichtungen eingesetzt. Die überwiegende Mehrheit der technischen Lösungen zur Stoffstromschaltung in Abgasanlagen betrifft dabei mechanische Klappen und Ventile (vgl. z.B. für Schalldämpfer: MTZ Motortechnische Zeitschrift 53 (1992) Heft 7/8; DE 19729666; EP 0902171; US 5821474; US 5801343; US 5744762; US 5739483; in Verbindung mit Abgaswärmetauschern: DE 19817391 A1; DE 19715939 C1; DE 19817340 A1; zur Abgasrückführung: DE 19637078 A1).
Der Vorteil dieser Lösungen besteht darin, daß die geometrischen Abmessungen der Schaltelemente in einem angemessenen Verhältnis stehen zu den Abmessungen der zu- und abführenden Rohrleitungen und der Gesamtanlage.
Allerdings treten bei Einsatz derartiger mechanischer Schaltelemente und Klappen folgende Probleme auf: Je näher das Schaltelement am Verbrennungsmotor angeordnet ist, um so höher sind die Temperaturen, denen das Schaltelement ausgesetzt ist. Metallische Federwerkstoffe erreichen bei 700°C ihre Einsatzgrenze. Oberhalb dieser Temperaturen können keramische Federn eingesetzt werden. In entsprechender Weise müssen z.B. auch hochwertigere Lagerwerkstoffe aus Keramik eingesetzt werden. Die einzusetzenden Materialien werden allerdings mit steigender Temperaturbeständigkeit immer teurer. Im übrigen können mechanische Fertigkeitsprobleme entstehen; denn Abgasanlagen unterliegen gleichzeitig hohen mechanischen Anforderungen. Es treten Schwingungen mit Belastung bis zu 50-facher Erdbeschleunigung auf, zusätzlich wirken Temperaturwechsel- insbesondere Thermoschockbeanspruchungen.
Im übrigen erfordern mechanische Bauteile, bestehend aus Welle und Lager, immer ein definiertes Spiel, das im allgemeinen 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.
  • Undichtigkeiten 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.
Um diese Probleme zu lösen, bedarf es relativ aufwendiger Konstruktionen.
Die vorstehend angegebenen, mit mechanischen Schaltelementen verbundenen Probleme treten zu einem erheblichen Anteil bei Einsatz von fluidischen Schaltelementen als Stoffstrom-Stellglied nicht auf. Allerdings entstehen, will man die aus A.W. Rechten, Fluidik, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1976, 244 S. bekannten, vermaßten Haftstrahlelemente maßstabsgetreu auf Abgasanlagen übertragen, Schaltelemente, die in ihren 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 von Kraftfahrzeugen unbrauchbar.
Die DE 19709432 A1 und die DE 19729563 A1 offenbaren demgegenüber die Verwendung gattungsmäßiger Strömungsschalter in Verbindung mit Abgasanlagen für Kraftfahrzeuge. Jeweils soll der Abgasstrom abhängig vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors unterschiedlichen Abgasbehandlungseinrichtungen zugeführt werden, wobei eine aktive, fremdgesteuerte wie auch eine passive, autonome Umschaltung des Schaltelements beschrieben wird.
Ein gewichtiges Problem derartiger Strömungsschalter ist die Stabilität des jeweiligen Schaltzustandes. Zur Aufrechterhaltung stabiler Schaltzustände wird regelmäßig eine Zirkulationsströmung benötigt, die in den bekannten technischen Lösungen durch eine konkave Prallfläche, DE 19729563, 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 aber die größten Strömungsgeschwindigkeiten auf. Diese hohen Strömungsgeschwindigkeiten führen in Verbindung mit den beschriebenen Vorrichtungen und ihrer Anordnung zu großen Strömungsverlusten im Schaltraum. Sie bewirken große Gegendrücke in der Abgasanlage. Hohe Gegendrücke sind aber nicht erwünscht, da sie sich leistungsmindernd auswirken. 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 Strömungsschalter, 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 5435489; US 5577294; US 5957413; US 5438429; US 5658141.
Vor dem Hintergrund der vorstehend dargelegten Nachteile des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere für Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen geeigneten Strömungsschalter zu entwickeln, der keine mittels nach außen geführter Wellen betätigten Verschlußelemente und somit keine abzudichtenden Lager für solche Wellen erfordert, der nur vergleichsweise geringe Strömungsverluste produziert, bei einem möglichst präzisen Schaltpunkt bistabile Schaltzustände ermöglicht, einen geringen mechanischen Fertigungsaufwand verursacht und annehmbare geometrische Abmessungen im Vergleich zur Gesamtanlage zuläßt. Besonders bevorzugt soll dabei der Strömungsschalter wahlweise sowohl als fremdgesteuerte Vorrichtung als auch als autonomes, aus sich selbst heraus wirkendes Schaltelement ausgeführt sein können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Strömungsschalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Strömungsschalter nach der vorliegenden Erfindung umfaßt somit einen Zuströmkanal, eine Coanda-Tulpe, mindestens zwei Auslaßkanäle und einen Verdrängerkörper. Der Verdrängerkörper ist dabei im Bereich der Coanda-Tulpe angeordnet. Der Verdrängerkörper weist eine Anströmfläche auf, der in Strömungsrichtung ein Mantel nachgeordnet ist; erfindungsgemäß ist dabei die Lage zumindest der Anströmfläche in Strömungsrichtung veränderbar.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Lageveränderbarkeit der Anströmfläche des Verdrängerkörpers in Strömungsrichtung begünstigt in Verbindung mit den übrigen Merkmalen des erfindungsgemäßen Schaltelements die Reproduzierbarkeit des Schaltpunkts, d.h. sie unterstützt maßgeblich, daß das Schaltelement möglichst präzise bei einem bestimmten, vorgegebenen Schaltpunkt von einem ersten Schaltzustand auf einen zweiten Schaltzustand umschaltet. Dies gilt unabhängig davon, ob der Strömungsschalter als passives Schaltelement oder aber als aktives, fremdgesteuertes Schaltelement (s.u.) ausgeführt ist.
Eine erste bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß nur die Anströmplatte mit der Anströmfläche lageveränderbar ist, wohingegen die verbleibenden Bauteile des Verdrängerkörpers ortsfest angeordnet sind; dies resultiert in einem besonders geringen Bauaufwand. Diese Bauweise ist allerdings nicht zwingend; vielmehr kann beispielsweise zusammen mit der Anströmplatte auch ein Teil des Mantels des Verdrängerkörpers oder der gesamte Mantel in Strömungsrichtung lageveränderbar sein.
Was die geometrische Form der Anströmfläche angeht, so besteht hier eine Gestaltungsbreite. So kann die Anströmfläche eben, mehr oder weniger konvex gewölbt oder mehr oder weniger konkav gewölbt ausgeführt sein. Besonders hervorhebenswert ist dabei, daß der erfindungsgemäße Strömungsschalter bei ebener Ausführung der Anströmfläche für die meisten Anwendungsfälle ausreichend gute Schaltergebnisse liefert. Auf diese Weise lassen sich Strömungsschalter nach der vorliegenden Erfindung besonders kostengünstig herstellen.
Letzteres gilt erst recht, wenn der Mantel zylindrisch ausgeführt ist. Bei dieser Bauweise ergibt sich im übrigen eine klar definierte Abreißkante im Bereich des Übergangs von der Anströmfläche zur Mantelfläche, was wiederum günstig ist im Hinblick auf das Schaltverhalten.
Der Zuströmkanal kann als einfaches zylindrisches Rohr ausgeführt sein, an das die Coanda-Tulpe unmittelbar anschließt. Besonders bevorzugt ist er indessen als zylindrisches Rohr mit einer zusätzlichen konischen Erweiterung mit anschließendem vorzugsweise zylindrischen Kanalabschnitt ausgebildet. Die Coanda-Tulpe schließt bei dieser Ausführungsform der Erfindung zweckmäßigerweise an jenen zylindrischen Kanalabschnitt an.
Der Mantel des Verdrängerkörpers ist vorzugsweise im wesentlichen zylindrisch ausgeführt. Bei spezifischen Schaltaufgaben kann der Mantel indessen auch Sonderformen aufweisen, beispielsweise indem er kegelförmig oder faßartig ausgebildet ist. Der Verdrängerkörper ist bevorzugt so dimensioniert und angeordnet, daß die Anströmfläche innerhalb der Coanda-Tulpe oder in einem stromaufwärts hierzu liegenden zylindrischen Kanalabschnitt angeordnet ist. Der Mantel befindet sich bevorzugt im Erweiterungsbereich der Coanda-Tulpe; er erstreckt sich in diesem Falle vollständig oder teilweise innerhalb der Coanda-Tulpe. Die Auslaßkanäle sind vorzugsweise konzentrisch angeordnet und mit Fangräumen versehen, die in ihrem Strömungsquerschnitt größer als die eigentlichen Auslaßkanäle ausgebildet sind. Der äußere Auslaßkanal schließt zweckmäßigerweise unmittelbar an die Coanda-Tulpe an.
Der Verdrängerkörper ist je nach Schaltaufgabe als Voll- oder mindestens teilweise als Hohlkörper ausgebildet. Der einfachste und somit kostengünstigste Aufbau ist eine ebene Anströmfläche, der in Strömungsrichtung ein zylindrischer Rohrabschnitt als Mantel nachgeordnet ist. Für die Erfüllung der einfachsten Schaltaufgaben ist nicht einmal ein stromabwärts gerichteter Abschluß erforderlich.
Will man jedoch den Schaltpunkt auch unter ungünstigen Bedingungen auf einen genau definierten Massenstrom einstellen, sind erfindungsgemäß folgende Zusatzmaßnahmen anwendbar:
  • Die Anströmfläche kann eben, konkav oder konvex geformt sein.
  • Der Durchmesser der Anströmfläche kann wahlweise größer, kleiner oder gleich dem äußeren Umfang des Mantels gewählt werden.
  • Der äußere Umfang der Anströmfläche kann eine Fase und/oder eine Kante oder einen Grenzschichtzaun aufweisen, scharfkantig oder abgerundet sein. Die Anordnung von Unterbrechungen, Zacken oder beliebige Unregelmäßigkeiten sind möglich.
  • Der Mantel kann als Zylinder, Kegel, faßartig oder wellig ausgebildet sein.
  • Der stromabwärts gerichtete Abschluß des Verdrängerkörpers kann entfallen (s.o.), oder als im wesentlichen ebene Scheibe, als Halbkugel oder als sonstiges geeignetes Strömungsprofil ausgebildet sein.
  • Bei bestimmten geometrischen Anforderungen an den Einbauraum kann das System aus Coanda-Tulpe, Verdrängerkörper, Zuströmkanal und Auslaßkanälen von der koaxialen, axialsymmetrischen Form abweichen. In diesem Sinne kommt beispielsweise zur besonders flachen Ausführung des Schaltelements eine zweidimensionale Gestaltung mit einer ebenen Umströmung des Verdrängungskörpers in Betracht.
Die Wirkungsweise der Erfindung ist folgende:
Die Handhabung der erfindungsgemäßen Lösung kann auf zweierlei Art erfolgen: Entweder arbeitet der Strömungsschalter aus sich selbst heraus, passiv, autonom, oder der Schaltvorgang wird von außen durch einen aktiven, manuellen und/oder steuerungstechnischen Eingriff beliebig eingeleitet.
Wird in einem Prozeß gewünscht, daß zum Beispiel unterhalb eines vorgegebenen Wertes für die Gasgeschwindigkeit, den Massenstrom oder den Volumendurchsatz die Strömung durch Rohr 1 und oberhalb des Schaltpunktes in Rohr 2 geleitet wird, dann ist die autonome Schaltaufgabe vorteilhaft.
Je nach Vorgabe des Schaltpunktes ist der erfindungsgemäße Verdrängerkörper in einer definierten Position innerhalb der Coanda-Tulpe angeordnet. Der Anordnungspunkt hängt von den konkreten Prozeßparametern und der Strömungsführung im System ab. Versuche haben gezeigt, daß je nach Prozeßführung ein definierbares Schaltfenster existiert, das durch meist zwei axiale Positionslagen der ebenen Anströmfläche innerhalb der Coanda-Tulpe und/oder des Zuströmrohres begrenzt wird und durch die oben beschriebenen zusätzlichen Maßnahmen verschoben werden kann. Die Grenzen zeigen sich durch instabile Strömungszustände, die sich durch ein wechselseitiges Umschlagen der Strömung in die eine oder andere Schaltrichtung darstellen. Außerhalb dieser Grenzen erfolgt keine Schaltung.
Die vorstehend erläuterten Grenzen werden zum Umschalten genutzt. Innerhalb der beiden Grenzlagen strömt das Fluid entlang der Coanda-Tulpe radial nach außen. Außerhalb der Grenzen ist die Strömung axial ausgerichtet. Durch den Zustromkanal fließt der ungeteilte Abgasstrom dem Strömungsschalter zu. In einer ersten Schaltposition befindet sich die Anströmfläche zum Beispiel in der Ebene, die aus dem Ansatz der Coanda-Tulpe an den zylindrischen Kanalabschnitt gebildet wird. Die Strömung teilt sich, formt eine Ringströmung, die sich innen unmittelbar an der Außenkante der Anströmplatte ablöst, sich im äußeren Bereich an die Coanda-Tulpe anlegt und in den äußeren Auslaßkanal abgeleitet wird. Stromabwärts des Verdrängerkörpers entsteht eine Wirbelzone, die sich vom Nachlauf bis in den inneren Auslaßkanal erstreckt und den inneren Auslaßkanal strömungstechnisch verschließt. In einer zweiten Schaltposition befindet sich die Anströmfläche stromaufwärts der Stellung der ersten Schaltposition, und zwar im zylindrischen Kanalabschnitt des Zuströmkanals. Die Strömung bildet unmittelbar hinter der Außenkante der Anströmplatte auf dem Umfang der 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 auf die Anströmfläche wirkenden Staudrucks und einer auf die bewegbare Anströmplatte wirkenden Feder, die vorzugsweise im Inneren des Verdrängerkörpers angeordnet ist.
Bei geringem Abgasmassenstrom befindet sich zum Beispiel 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 Anströmfläche. Die Anströmfläche verschiebt sich in Strömungsrichtung entgegen der Rückstellkraft der Feder, bis der zweite 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. Ein weiterer Schaltbereich befindet sich innerhalb der Coanda-Tulpe. Er ist durch die oben beschriebene zweite Grenze markiert. Die Anströmfläche ist zunächst so angeordnet, daß die Strömung entlang der Coanda-Tulpe in den äußeren Strömungskanal abgeleitet wird. Steigert man nun den Massenstrom, dann steigt der Staudruck und die Anströmfläche bewegt sich stromabwärts über die zweite Grenzlinie. Es kommt zum Umschlag der Strömung. Sie legt sich wieder an den Verdrängerkörper an.
Eine weitere autonom wirkende Lösung nutzt die Wärmeausdehnung fester, flüssiger oder gasförmiger Mittel, die beispielsweise in Inneren des Verdrängerkörpers zur Bewegung der Anströmfläche angeordnet sind. Hier ergibt sich ein temperaturabhängiges Umschalten des Strömungsschalters.
Bei einer fremdgesteuerten Lösung ist beispielsweise ein äußerer Druck- oder Unterdruckgeber mit dem Innenraum des Verdrängerkörpers verbunden. Durch die Wechselwirkung von Staudruck, Innendruck, einem ggf. vorgesehenen 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 zweiter Strömungsweg oder beide Strömungswege zu bevorzugen sind.
Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung wird nachstehend die vorliegende Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erklärt. Dabei zeigt
Figur 1
eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Strömungsschalters nach der vorliegenden Erfindung in Schaltzustand 1,
Figur 2
den Strömungsschalter gemäß Fig. 1 in Schaltzustand 2 und
Figur 3
eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines Strömungsschalters nach der vorliegenden Erfindung.
Die Figuren 1 und 2 zeigen den als Hybridschaltelement ausgeführten Strömungsschalter, bestehend aus einem Zuströmkanal 1 mit konischer Erweiterung 2 und zylindrischem Kanalabschnitt 3, an den sich die Coanda-Tulpe 5 und ein äußerer Auslaßkanal 11 mit Fangraum 13 anschließen. Der innere Auslaßkanal 12 mit Fangraum 14 befindet sich stromabwärts hinter dem Verdrängerkörper 6.
Der Verdrängerkörper 6 weist eine stirnseitig an einer Anströmplatte 25 angeordnete ebene Anströmfläche 7 mit äußerer Kante 15, einen zylindrischen Mantel 8, einen Nachlauf 9 und eine als Feder ausgebildete Stelleinrichtung 10, die sich im Inneren des Verdrängerkörpers 6 abstützt, auf. Die Anströmplatte 25 ist in Strömungsrichtung verschiebbar geführt, und zwar mittels der zentralen Führungsstange 26. Der Zuströmkanal 1 umfaßt eine konische Erweiterung 2 und einen weiteren zylindrischen Kanalabschnitt 3.
In Figur 1 befindet sich die ebene Anströmfläche 7 im Bereich des Ansatzes 4 der Coanda-Tulpe 5 an den zylindrischen Kanalabschnitt 3. In Figur 2 ist die ebene Anströmfläche 7 aufgrund des auf die Anströmfläche wirkenden geringen Staudrucks, der aus einem gegenüber Fig. 1 reduzierten Massenstrom resultiert, entgegen der Strömungsrichtung in den zylindrischen Kanalabschnitt 3 hinein 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 Fig. 1 aus. Der Abgasmassenstrom 20 legt sich nicht mehr an die Mantelfläche 8 des Verdrängerkörpers 6 an. Es bilden 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, Figur 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 Figur 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.

Claims (22)

  1. Strömungsschalter mit einem Zuströmkanal (1), einer Coanda-Tulpe (5), mindestens zwei Auslaßkanälen (11 und 12) und einem im Bereich der Coanda-Tulpe (5) angeordneten Verdrängerkörper (6), der eine Anströmfläche (7) und einen Mantel (8) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Anströmfläche (7) in Strömungsrichtung veränderbar ist.
  2. Strömungsschalter nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet dadurch, daß die Anströmfläche (7) mit einer Stelleinrichtung (10) verbunden ist.
  3. Strömungsschalter nach Anspruch 2,
    gekennzeichnet dadurch, daß die Stelleinrichtung als Federelement oder Wärmedehnelement ausgebildet (10) ist.
  4. Strömungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    gekennzeichnet dadurch, daß zwischen Anströmfläche (7) und Mantel (8) ein Wellrohrkompensator (22) so angeordnet ist, daß der Verdrängerkörper (6) einen geschlossenen, dichten Hohlkörper bildet, der mit einem Fluid (24) gefüllt ist.
  5. Strömungsschalter nach Anspruch 4,
    gekennzeichnet dadurch, daß der geschlossene, dichte Verdrängerkörper (6) über eine Verbindungsleitung (21) mit einem druckmittelbetriebenen Stellorgan (22) verbunden ist.
  6. Strömungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkörper (6) bewegbar angeordnet ist.
  7. Strömungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßkanäle (11, 12) konzentrisch zueinander angeordnet sind und mit jeweils einem konischen oder zylindrischen Fangraum (13, 14) versehen sind.
  8. Strömungsschalter nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Fangraum (13) radial nach außen versetzt an die Coanda-Tulpe (5) anschließt.
  9. Strömungsschalter nach Anspruch 7 oder Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß der innere Auslaßkanal (12) mit einem Abstand stromabwärts hinter dem Verdrängerkörper (6) angeordnet ist.
  10. Strömungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkörper (6) an dem stromabwärts gerichteten Ende einen kugelförmigen oder ebenen Nachlauf (9) aufweist.
  11. Strömungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (8) des Verdrängungskörpers (6) im wesentlichen zylindrisch ausgeführt und bevorzugt im Erweiterungsabschnitt der Coanda-Tulpe (5) angeordnet ist.
  12. Strömungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkörper (6) als Hohlkörper ausgebildet ist.
  13. Strömungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmfläche (7) des Verdrängungskörpers (6) im wesentlichen eben ausgeführt und bevorzugt innerhalb der Coanda-Tulpe (5) angeordnet ist.
  14. Strömungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Rand der Anströmfläche (7) größer, kleiner oder gleich dem äußeren Durchmesser des Mantels (8) ist.
  15. Strömungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (8) kegel- oder faßförmig oder wellig ausgebildet ist.
  16. Strömungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmfläche (7) des Verdrängungskörpers (6) eben, konkav oder konvex ausgebildet ist.
  17. Strömungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmfläche (7) im Bereich des Ansatzes (4) der Coanda-Tulpe (5) an den Zuströmkanal (1) oder einen zylindrischen Kanalabschnitt (3) des Zuströmkanals (1) oder innerhalb der Coanda-Tulpe (5) angeordnet ist.
  18. Strömungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
    dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Rand der Anströmfläche (7) scharfkantig, gebrochen, abgerundet, mit Unterbrechungen ausgebildet oder mit einem Grenzschichtzaun oder unregelmäßigen Erhebungen und/oder Vertiefungen versehen ist.
  19. Strömungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
    dadurch gekennzeichnet, daß in Anströmfläche (7) und/oder Mantel (8) Öffnungen angeordnet sind, die den Innenraum des Verdrängerkörpers (6) mit der Hauptströmung verbinden.
  20. Strömungsschalter nach Anspruch 19,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen im Verdrängerkörper (6) oder in der Coanda-Tulpe (5) über Verbindungsleitungen mit einem weiteren fluidhaltigen Druckniveau verbunden sind.
  21. Strömungsschalter nach Anspruch 20,
    dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Druckniveau entweder ein stromauf- oder stromabwärtiger Abschnitt der Kanalführung selbst oder ein Über- oder Unterdruckbehälter ist.
  22. Strömungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 21,
    dadurch gekennzeichnet, daß das System aus Coanda-Tulpe (5), Verdrängerkörper (6), Zuströmkanal (1) und Auslaßkanälen (11, 12) nicht konzentrisch ausgeführt ist.
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