EP1244868B1 - Fluidisches schaltelement - Google Patents

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EP1244868B1
EP1244868B1 EP00993784A EP00993784A EP1244868B1 EP 1244868 B1 EP1244868 B1 EP 1244868B1 EP 00993784 A EP00993784 A EP 00993784A EP 00993784 A EP00993784 A EP 00993784A EP 1244868 B1 EP1244868 B1 EP 1244868B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
switching element
element according
fluidic switching
displacement body
fluidic
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
EP00993784A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1244868A2 (de
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Marek Birke
Gerhard Dr. Elfinger
Wolfgang Dr. Hahnl
Jürgen Klement
Andreas Mayr
Mark Dr. 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 EP1244868A2 publication Critical patent/EP1244868A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1244868B1 publication Critical patent/EP1244868B1/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
    • 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
    • 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 fluidic switching element according to the preamble of claim 1.
  • a major problem of such fluidic switching elements is the stability of the respective switching state.
  • To maintain stable switching states is regular requires a circulation flow, which in the known technical solutions through a concave baffle, DE 197 29 563, or a recess in the wedge between the two outputs, A.W. Right, p. 92, generated becomes.
  • This recess or concave annular surface is opposite the narrowest flow cross section arranged. in the narrowest flow cross-section occur but the largest Flow velocities.
  • These high flow rates lead in conjunction with the described Devices and their arrangement to large flow losses in the control room. They cause large back pressures in the Exhaust system. High back pressures are not desirable because they have a performance-reducing effect. Besides, these are Solutions not very space saving.
  • the task is based, in particular for exhaust systems of Motor vehicles suitable fluidic switching element to develop, the only comparatively low flow losses produced, with a precise switching point bistable switching states allows a low mechanical Manufacturing costs caused and acceptable geometric Dimensions compared to the overall system permits.
  • the fluidic switching element optionally both as an externally controlled device and as an autonomous, self-acting switching element can be executed.
  • the fluidic switching element thus comprises an inflow channel, a Coanda tulip, at least two outlet channels and a displacement body.
  • the displacer is in the area of the Coanda tulip arranged.
  • the displacer has a substantially plane inflow surface, to which in the flow direction a jacket connects; the transition from the inflow surface the jacket is defined by a tear-off.
  • the inventively provided on the displacement body tear-off favors in conjunction with the other features the switching element according to the invention the reproducibility of the switching point, i. she significantly supports that the switching element as precise as possible at a certain, predetermined switching point of a first switching state switched to a second switching state. This Regardless of whether the switching element as a passive Switching element or as active, externally controlled Switching element (s.u.) Is executed.
  • 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 Leading surface which with a cylindrical pipe section is connected as a coat.
  • Shift task is not even a downstream Completion required.
  • the handling of the solution according to the invention can be carried out in two ways: Either the switching element works out of itself, passively, autonomously, or the switching process is initiated arbitrarily from the outside by an active, manual and / or control technology intervention.
  • 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 undivided exhaust gas mass flow flows through the inflow channel.
  • the fluid flows through the inflow pipe to the displacer, is through the Displacer deflected and dissolves the invention provided tear-off edge, i. depending on constructive Execution of the outer edge of the inflow surface, the boundary layer fence or the edge of the inflow surface defined and reproducible from the displacer and forms a Randwirbel, who after a short run again at the Coat applies.
  • the flow is detached and forms a large peripheral vortex, which is the second outflow channel, in concentric design the radially outside lying, closes.
  • the fluid flows through the first Outflow channel, the central tube.
  • the vortex increases Circumference of the displacer. From a transfer point lays the flow is no longer connected to the displacer, the vortex area covers the central tube and closes it Formal and the current attaches to the Coanda tulip.
  • the fluid only flows through the second outer outflow channel.
  • the switching point can be through the above described Additional measures as desired to smaller or larger Mass flow values are shifted. So can by the Removal of fluid from a higher pressure level, for example from an upstream channel section, and Introduction into the displacer followed by discharge arranged on the circumference of the displacer Openings in the vortex area adjacent to the displacement body, the switching point shifted to smaller mass flows become. In a similar way, by aspiration of Fluid from the vortex area of the switching point to higher Mass flows are shifted.
  • the shift of the switching points can be different Measures to influence the spinal areas on Circumference of the displacer or the Coanda tulip to reach. These measures have been described above.
  • a first switching state that is the displacer associated valve open.
  • the flow will be at the deflected essentially flat inflow surface radially outward and forms a detachment vortex behind the outer tear-off edge. This vortex is prevented from coming back to be applied to the lateral surface of the displacer.
  • The takes place in that through the open valve and Finally, flow over the openings in the jacket fluid can.
  • the exhaust flow goes to the Coanda tulip, forms a ring flow and is so over the outer outlet channel derived.
  • the one associated with the Coanda tulip Control line is closed.
  • the advantage of the solution according to the invention is that No moving parts are arranged in the exhaust gas flow, the to Noise or jamming due to manufacturing inaccuracies and pollution as well as lead to leaks can.
  • FIGS. 1 and 2 show the fluidic switching element, consisting of an inflow 1 with conical extension 2 and cylindrical channel section 3, on which the Coanda tulip 5 and an outer outlet channel 11 with trap 13 connect.
  • the inner outlet channel 12 with trap 14th is located downstream of the displacer 6.
  • the displacement body 6 consists of a flat inflow surface 7 with outer tear-off edge 15, a cylindrical Sheath 8 and a trailer 9.
  • the displacement body 6 is formed as a hollow body, the provided on the circumference of the lateral surface 8 with openings 21 is on the other hand connected to a control line 20 is.
  • the exhaust gas mass flow 24 enters the fluidic switching element via the inflow line 1 a.
  • the displacer 6 forces a ring flow 19, which at the outer tear-off edge 15 replaces.
  • the ring flow 19 settles not by the cylindrical shell 8 of the displacer 6 on. It creates vortex area 18, which is the inner outlet channel 12 closes fluidically.
  • the Ring flow 19 lays in the outer area to the Coanda tulip 5 and passes through the catching space 13 in the outer Outlet channel 11.
  • the ring flow 19 settles after initial formation a separation vortex 16 immediately behind the tear-off 15 again to the cylindrical surface 8 of the displacement 6 on.
  • the rotating vortex area 17 and the vortex area 18 adopt a stabilizing for the respective flow direction Function.
  • control lines 20, 23 are either one or both control lines 20, 23 with the environment connected.
  • the advantage of this solution is that cooler ambient air is sucked in and the outer Switching elements not the high exhaust gas temperatures of the main flow subject and no additional control medium needed becomes.

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Description

Die Erfindung betrifft ein fluidisches Schaltelement 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 197 29 666; EP 0902171; US 5,821,474; US 5,801,343; US 5,744,762; US 5,739,483; 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).
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 197 09 432 A1 und die DE 197 29 563 A1 offenbaren demgegenüber die Verwendung gattungsmäßiger fluidischer Schaltelemente 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 fluidischer Schaltelemente 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 197 29 563, 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 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; US 5,577,294; US 5,957,413; US 5,438,429; US 5,658,141.
Vor dem Hintergrund der vorstehend dargelegten Nachteile des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein insbesondere für Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen geeignetes fluidisches Schaltelement zu entwickeln, das 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 das fluidische Schaltelement wahlweise sowohl als fremdgesteuerte Vorrichtung als auch als autonomes, aus sich selbst heraus wirkendes Schaltelement ausgeführt sein können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein fluidisches Schaltelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das fluidische Schaltelement 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 im wesentlichen ebene Anströmfläche auf, an die sich in Strömungsrichtung ein Mantel anschließt; der Übergang von der Anströmfläche zum Mantel ist dabei durch eine Abreißkante definiert.
Die erfindungsgemäß an dem Verdrängerkörper vorgesehene Abreißkante 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 das Schaltelement als passives Schaltelement oder aber als aktives, fremdgesteuertes Schaltelement (s.u.) ausgeführt ist.
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, die mit einem zylindrischen Rohrabschnitt als Mantel verbunden ist. Für die Erfüllung der einfachsten Schaltaufgabe 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 mit geringer Krümmung 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.
  • In Anströmfläche und/oder Mantel können Öffnungen vorgesehen sein, die den Innenraum des Verdrängerkörpers mit der Hauptströmung verbinden.
  • Ggfs. vorgesehene Öffnungen im Verdrängerkörper und/oder an der Coanda-Tulpe können über Steuer- bzw. Verbindungsleitungen mit einem weiteren fluidhaltigen Druckniveau verbunden sein. Das zusätzliche Druckniveau kann insbesondere ein stromaufwärts oder stromabwärts vom Verdrängungskörper liegender Abschnitt der Abgasleitung selbst sein, oder ein Über- oder Unterdruckbehälter.
  • Je nach Schaltaufgabe können die Verbindungsleitungen Strömungsführungen für Zusatzfluid zum gewünschten Zuführort oder Steuerleitungen sein, die insbesondere mit einem Ventil oder einem sonstigen Stellorgan versehen sein können.
  • 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 das Schaltelement aus sich selbst heraus, passiv, autonom, oder der Schaltvorgang wird von außen durch einen aktiven, manuellen und/oder steuerungstechnischen Eingriff beliebig eingeleitet.
Fall 1:
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.
Durch den Zuströmkanal fließt der ungeteilte Abgasmassenstrom. Bei niedriger Geschwindigkeit strömt das Fluid durch das Zuströmrohr dem Verdrängerkörper zu, wird durch den Verdrängerkörper abgelenkt und löst sich an der erfindungsgemäß vorgesehenen Abreißkante, d.h. je nach konstruktiver Ausführung dem äußeren Rand der Anströmfläche, dem Grenzschichtzaun bzw. der Kante der Anströmfläche definiert und reproduzierbar vom Verdrängerkörper ab und bildet einen Randwirbel, der sich nach kurzer Lauflänge wieder an den Mantel anlegt.
Am Umfang der Coanda-Tulpe ist die Strömung abgelöst und bildet einen großen Randwirbel, der den zweiten Abströmkanal, bei konzentrischer Ausführung den radial außen liegenden, verschließt. Das Fluid strömt durch den ersten Abströmkanal, das Zentralrohr.
Mit steigendem Massenstrom vergrößert sich der Wirbel am Umfang des Verdrängerkörpers. Ab einem Umschlagpunkt legt sich die Strömung nicht mehr an den Verdrängerkörper an, das Wirbelgebiet überdeckt das Zentralrohr, verschließt es förmlich und die Strömung legt sich an die Coanda-Tulpe an. Das Fluid strömt nur noch durch den zweiten äußeren Abströmkanal. Der Schaltpunkt kann durch die oben beschriebenen Zusatzmaßnahmen je nach Wunsch zu kleineren oder größeren Massenstromwerten verlagert werden. So kann durch die Entnahme von Fluid aus einem höheren Druckniveau, zum Beispiel aus einem stromaufwärts liegenden Kanalabschnitt, und Einleitung in den Verdrängerkörper mit anschließendem Austritt aus am Umfang des Verdrängerkörpers angeordneten Öffnungen in das am Verdrängerkörper anliegende Wirbelgebiet, der Schaltpunkt zu kleineren Massenströmen verlagert werden. In entsprechender Weise kann durch Absaugen von Fluid aus dem Wirbelgebiet der Umschaltpunkt zu höheren Massenströmen verlagert werden.
Die Verlagerung der Umschaltpunkte kann man durch verschiedene Maßnahmen zur Beeinflussung der Wirbelgebiete am Umfang des Verdrängerkörpers oder der Coanda-Tulpe erreichen. Diese Maßnahmen wurden oben beschrieben.
Besteht die Absicht, auf das System aktiv einzugreifen, sind die Öffnungen im Verdrängerkörper und/oder in der Coanda-Tulpe mit druckmittelführenden Leitungen zu versehen, die zusätzliche Stellglieder enthalten. Derartige fremdgesteuerte Systeme wirken wie folgt.
In einem ersten Schaltzustand ist das dem Verdrängerkörper zugeordnete Ventil geöffnet. Die Strömung wird an der im wesentlichen ebenen Anströmfläche radial nach außen abgelenkt und bildet hinter der äußeren Abreißkante einen Ablösewirbel. Dieser Wirbel wird daran gehindert, sich wieder an die Mantelfläche des Verdrängerkörpers anzulegen. Das erfolgt dadurch, daß durch das geöffnete Ventil und schließlich über die Öffnungen im Mantel Fluid nachströmen kann. Die Abgasströmung legt sich an die Coanda-Tulpe an, bildet eine Ringströmung und wird so über den äußeren Auslaßkanal abgeleitet. Die mit der Coanda-Tulpe verbundene Steuerleitung ist dabei geschlossen.
In einer zweiten Schaltstellung werden die Steuerleitungen zum Verdrängerkörper verriegelt und die zur Coanda-Tulpe geöffnet. Die Strömung legt sich nun nach dem Umströmen der Abreißkante der Anströmfläche wieder an die zylindrische Mantelfläche an. Im äußeren Bereich löst die Strömung von der Coanda-Tulpe ab und wird durch die erfindungsgemäße Form und die Anordnung des Verdrängerkörpers so geführt, daß sie durch den inneren Auslaßkanal abfließt. Im Bereich der Coanda-Tulpe bildet sich ein Ringwirbel.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß im Abgasstrom keine bewegten Teile angeordnet sind, die zu Nebengeräuschen oder zum Verklemmen durch Fertigungsungenauigkeiten und Verschmutzung sowie zu Undichtheiten führen können.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels für ein Schaltelement mit Fremdsteuerung näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1
ein fluidisches Schaltelement im ersten Schaltzustand und
Fig. 2
das fluidische Schaltelement gemäß Fig. 1 im zweiten Schaltzustand.
Die Figuren 1 und 2 zeigen das fluidische Schaltelement, bestehend aus einem Zuströmkanal 1 mit konischer Erweiterung 2 und zylindrischem Kanalabschnitt 3, an dem 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 besteht aus einer ebenen Anströmfläche 7 mit äußerer Abreißkante 15, einem zylindrischem Mantel 8 und einem Nachlauf 9.
Auf dem Umfang der Coanda-Tulpe 5 sind Öffnungen 22 angeordnet, die über eine Ringleitung 10 mit einer Steuerleitung 23 verbunden sind.
Der Verdrängerkörper 6 ist als Hohlkörper ausgebildet, der auf dem Umfang der Mantelfläche 8 mit Öffnungen 21 versehen ist und andererseits mit einer Steuerleitung 20 verbunden ist.
Der Abgasmassenstrom 24 tritt in das fluidische Schaltelement über die Zuströmleitung 1 ein. Der Verdrängerkörper 6 erzwingt eine Ringströmung 19, die an der äußeren Abreißkante 15 ablöst.
Ist die Steuerleitung 20 freigegeben, kann über die Öffnungen 21 Fluid nachströmen. Die Ringströmung 19 legt sich dadurch nicht an den zylindrischen Mantel 8 des Verdrängerkörpers 6 an. Es entsteht Wirbelgebiet 18, das den inneren Auslaßkanal 12 strömungstechnisch verschließt. Die Ringströmung 19 legt sich im äußeren Bereich an die Coanda-Tulpe 5 an und gelangt über den Fangraum 13 in den äußeren Auslaßkanal 11.
In der zweiten Schaltstellung ist die Steuerleitung 23 zur Coanda-Tulpe 5 freigegeben und die Steuerleitung 20 zum Verdrängerkörper verschlossen. Über die Öffnungen 22 strömt Fluid nach und erzwingt eine Ablösung der Ringströmung 19 von der Coanda-Tulpe 5. Stromabwärts hinter der Coanda-Tulpe 5 bildet sich ein umlaufendes Wirbelgebiet 17, das den äußeren Ablaßkanal 11 strömungstechnisch verschließt.
Die Ringströmung 19 legt sich nach anfänglicher Bildung eines Ablösewirbels 16 unmittelbar hinter der Abreißkante 15 wieder an die zylindrische Mantelfläche 8 des Verdrängerkörpers 6 an.
Die Strömung wird nun von Mantelfläche 8 und Nachlauf 9 im Zusammenspiel mit dem umlaufenden Wirbelgebiet 17 zum inneren Fangraum 13 bzw. dem inneren Auslaßkanal 12 geführt.
Das umlaufende Wirbelgebiet 17 und das Wirbelgebiet 18 übernehmen für die jeweilige Fließrichtung eine stabilisierende Funktion.
Versuche haben gezeigt, daß es möglich ist, bei definierter Anordnung des Verdrängerkörpers 6 im Bereich des Ansatzes 4 der Coanda-Tulpe 5, entweder nur mit der Steuerleitung 20, die mit den Öffnungen 21 im Verdrängerkörper 6 verbunden ist, oder nur mit der Steuerleitung 23, die an die Öffnungen 22 der Coanda-Tulpe 5 anschließt, die Strömung in Richtung des inneren Auslaßkanals 12 oder des äußeren Auslaßkanals 11 zu lenken. Dabei ist von Bedeutung, ob die ebene Anströmfläche 7 innerhalb des zylindrischen Kanalabschnitts 7 oder im Bereich der Coanda-Tulpe 5 angeordnet ist.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung im Vergleich zum bekannten Stand der Technik bestehen darin, daß die die Strömung stabilisierenden Wirbel nicht an fest im Schaltelement angeordnete Ausnehmungen oder konkave Ringflächen gebunden sind. Dadurch kann das Schaltelement wesentlich kleiner dimensioniert werden. Die Strömungsverluste fallen weitaus geringer aus.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung ist entweder eine oder sind beide Steuerleitungen 20, 23 mit der Umgebung verbunden. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß kühlere Umgebungsluft angesaugt wird und die äußeren Schaltelemente nicht den hohen Abgastemperaturen der Hauptströmung unterliegen und kein zusätzliches Steuermedium benötigt wird.

Claims (20)

  1. Fluidisches Schaltelement bestehend aus einem Zuströmkanal (1), einer Coanda-Tulpe (5), mindestens zwei Auslaßkanälen (11, 12), und einem im Bereich der Coanda-Tulpe (5) angeordneten Verdrängerkörper (6),
    dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkörper (6) eine im wesentlichen ebene Anströmfläche (7) aufweist, an die sich in Strömungsrichtung ein Mantel (8) anschließt, wobei der Übergang von der Anströmfläche (7) zum Mantel (8) durch eine Abreißkante (15) definiert ist.
  2. Fluidisches Schaltelement nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Coanda-Tulpe (5) in der Schnittansicht als Bogenkontur, vorzugsweise als Viertelkreisbogen ausgeführt ist.
  3. Fluidisches Schaltelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein innerer Auslaßkanal (12) in einem äußeren Auslaßkanal (11) angeordnet ist, wobei jedem der beiden Auslaßkanäle (11, 12) ein Fangraum (13, 14) zugeordnet ist.
  4. Fluidisches Schaltelement nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkörper (6) räumlich umströmt ist und daß die Auslaßkanäle (11, 12) konzentrisch angeordnet und mit jeweils einem konischen oder zylindrischen Fangraum (13, 14) versehen sind.
  5. Fluidisches Schaltelement nach Anspruch 3 oder Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Fangraum (13) stromabwärts am äußeren Umfang an die Coanda-Tulpe (5) anschließt.
  6. Fluidisches Schaltelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß der innere Auslaßkanal (12) mit einem Abstand stromabwärts hinter dem Verdrängerkörper (6) angeordnet ist.
  7. Fluidisches Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Einlaßkanal (1) und Coanda-Tulpe (5) eine konische Erweiterung (2) und ein zylindrischer Kanalabschnitt (3) angeordnet sind.
  8. Fluidisches Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkörper (6) an dem stromabwärtigen Ende einen kugelförmigen oder ebenen Nachlauf (9) aufweist.
  9. Fluidisches Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (8) des Verdrängerkörpers (6) im wesentlichen zylindrisch ausgeführt und im Erweiterungsabschnitt der Coanda-Tulpe (5) angeordnet ist.
  10. Fluidisches Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Coanda-Tulpe (5) mit Öffnungen (22), einer Ringleitung (10) und einer Verbindungsleitung (23) und/oder daß der Verdrängerkörper (6) mit Öffnungen (21) und einer Verbindungsleitung (20) versehen ist.
  11. Fluidisches Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkörper (6) als Hohlkörper ausgebildet ist.
  12. Fluidisches Schaltelement nach Anspruch 10 oder Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich eines zylindrisch ausgeführten Mantels (8) des Verdrängerkörpers Öffnungen (21) angeordnet sind.
  13. Fluidisches Schaltelement nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Coanda-Tulpe (5) über die als Steuerleitung ausgeführte Verbindungsleitung (23) und/oder der Verdrängerkörper (6) über die als Steuerleitung ausgeführte Verbindungsleitung (20) mit einem Druckpotential in Verbindung steht.
  14. Fluidisches Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen ebene Anströmfläche (7) innerhalb der Coanda-Tulpe (5) angeordnet ist.
  15. Fluidisches Schaltelement nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (8) des Verdrängerkörpers (6) kegel- oder faßförmig ausgebildet ist.
  16. Fluidisches Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Abreißkante (15) scharfkantig, gebrochen, abgerundet, mit Unterbrechungen ausgebildet oder mit einem Grenzschichtzaun oder unregelmäßigen Erhebungen und/oder Vertiefungen versehen ist.
  17. Fluidisches Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet, daß in der Anströmfläche (7) und/oder dem Mantel (8) des Verdrängungskörpers (6) Öffnungen angeordnet sind, die den Innenraum des Verdrängerkörpers mit der Hauptströmung verbinden.
  18. Fluidisches Schaltelement nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Druckpotential entweder ein stromauf- oder stromabwärtiger Abschnitt der Kanalführung selbst oder ein Über- oder Unterdruckbehälter ist.
  19. Fluidisches Schaltelement nach Anspruch 13 oder Anspruch 18,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitungen (20, 23) mit einem Ventil oder einem sonstigen Stellorgan versehen sind.
  20. Fluidisches Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 19,
    dadurch gekennzeichnet, daß Coanda-Tulpe (5), Verdrängerkörper (6), Zuströmkanal (1) und Auslaßkanäle (11, 12) nicht auf einer Achse liegen.
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