DE10000463A1

DE10000463A1 - Fluidisches Schaltelement als Stoffstrom-Stellglied

Info

Publication number: DE10000463A1
Application number: DE2000100463
Authority: DE
Inventors: Marek Birke; Gerhard Elfinger; Wolfgang Hahnl; Juergen Klement; Andreas Mayr; Mark Olesen; Klaus Regenold
Original assignee: Zeuna Starker GmbH and Co KG
Current assignee: Arvin Industries Deutschland GmbH
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2000-01-07
Publication date: 2001-07-26
Also published as: EP1244868A2; EP1244868B1; WO2001051776A2; WO2001051776A3; DE50011590D1

Abstract

Ein fluidisches Schaltelement besteht aus einem Zuströmkanal (1), einer Coanda-Tulpe (5), mindestens zwei Auslaßkanälen (11, 12) und einem im Bereich der Coanda-Tulpe (5) angeordneten Verdrängerkörper (6). Dieser weist eine ebene, im Bereich des Ansatzes (4) der Coanda-Tulpe (5) an den Zuströmkanal (1) oder einen zylindrischen Kanalabschnitt (3) des Zuströmkanals (1) bewegbar angeordnete Anströmfläche (7), einen zylindrischen Mantel (8) und einen kugelförmigen Nachlauf (9) auf. Der zylinderische Mantel (8) ist im Erweiterungsabschnitt und der Nachlauf (9) ist im Endabschnitt der Coanda-Tulpe (5) angeordnet und/oder ragt in einen der Auslaßkanäle (11, 12) hinein. Die Coanda-Tulpe (5) ist mit Öffnungen (22), einer Ringleitung (10) und einer Steuerleitung (23) und/oder der Verdrängerkörper (6) ist mit Öffnungen (21) und Steuerleitung (20) versehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein fluidisches Schaltelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie bezieht sich auf Auspuffvorrichtungen für Gase von Kraft- und Arbeitsmaschinen.

Die gesetzlichen Forderungen nach Lärmreduktion und Minderung von Schadstoffanteilen in den Abgasen von Verbrennungsmotoren führen zu immer komplexeren Abgasanlagen.

Es entstehen Abgasanlagen mit immer größeren Strömungswiderständen. Der steigende Energieaufwand muß vom Motor bereitgestellt werden. Gleichzeitig steigen auch die Kosten für diese Anlagen.

Dem stehen die Forderungen der Fahrzeughersteller nach Verminderung der Kosten, des Gewichts, des Kraftstoffverbrauchs und des Einbauraumes gegenüber.

Zur Lösung dieses Zielkonflikts werden zunehmend Mittel zur Steuerung und Lenkung der Abgase durch unterschiedliche Behandlungsvorrichtungen einge setzt.

Die überwiegende Mehrheit der technischen Lösungen zur Stoffstromschaltung in Abgasanlagen betreffen mechanische Klappen und Ventile:
in Schalldämpfern: Sonderdruck MTZ Motortechnische Zeitschrift 53 (1992) Heft 7/8 8 S.; DE 197 29 666; EP 0902171; DE 694 13 493; 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.

Bei Einsatz mechanischer Schaltelemente und Klappen treten folgende Probleme auf: Je näher das Schaltelement am Verbrennungsmotor angeordnet ist, um so höher sind die Temperaturen, die auf die Festigkeit der Bauteile einen erheblichen Einfluß haben. Es müssen z. B. hochwertigere Lagerwerkstoffe aus Keramik eingesetzt werden. Abgasanlagen unterliegen gleichzeitig hohen mechanischen Anforderungen. Es treten Schwingungen mit Belastung bis zu 50-facher Erdbeschleunigung auf, zusätzlich wirken Temperaturwechsel- insbesondere Thermoschockbeanspruchungen.

Metallische Federwerkstoffe erreichen bei 700°C ihre Einsatzgrenze.

Darüber hinaus können keramische Federn eingesetzt werden.

Die einzusetzenden Materialien werden mit steigenden Temperaturen immer teurer.

Der Vorteil dieser Lösungen besteht darin, daß die geometrischen Abmessungen denen der zu- und abführenden Rohrleitungen und der Gesamtanlage angemessen sind.

Mechanische Bauteile, bestehend aus Welle und Lager, erfordern immer ein definiertes Spiel, das bei kalter Anlage größer ist als im betriebswarmen Zustand.

Diese Spalte führen zu folgenden Problemen:

- Zu große Spalte verursachen durch die radiale Bewegung zwischen Welle und Lager Klappergeräusche. Große Spalte setzen auch die Lebensdauer der Bauelemente herab.
- Undichtheiten infolge großer Lagerspalte oder zwischen Verschlußorgan und Gehäuse erzeugen Pfeifgeräusche.
- Zu kleine Spalte im Lager führen infolge Verschmutzung oder unterschiedlicher Wärmeausdehnung von Welle und Lager zu Verklemmungen, die die Öffnungs- und Schließbewegungen des Verschlußorgans behindern.

Die Behebung dieser Probleme führt zu aufwendigeren Lösungen.

Eine Alternative wären fluidisch wirkende Schaltelemente.

Eine Zusammenfassung zum Fachgebiet fluidische Schaltelemente beschreibt A. W. Rechten, Fluidik, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1976, 244 S. Will man die darin abgebildeten und vermaßten Haftstrahlelemente maßstabsgetreu auf Abgasanlagen übertragen, entstehen Schaltelemente, die in 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 unbrauchbar.

Das betrifft auch die Übertragung der in der Fluidik üblichen Geometrien auf rotationssymmetrische Strukturen, wie sie in DE 197 29 563 dargestellt wurden.

Zur Aufrechterhaltung stabiler Schaltzustände wird 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 ihre Anordnung zu großen Strömungsverlusten im Schaltraum.

Sie bewirken große Gegendrücke in der Abgasanlage.

Hohe Gegendrücke sind aber nicht erwünscht.

Außerdem sind diese Lösungen nicht sehr platzsparend.

Auch TESAR V. "Großmaßstäbliche fluidische Ventile für die Durchflußsteuerung" messen - steuern - regeln, Bd. 26 (1983) 4 S. 189 ff sowie J. Loll und K. Thomas messen - steuern - regeln, Bd. 26 (1983) 4 S. 186 ff beschreiben fluidische Schaltelemente, die im Wesentlichen den Coanda-Effekt als Wandeffekt und den Wirbeleffekt nutzen.

Auch diese Schaltelemente sind mit bis zu 1000 mm Baulänge, bei vergleichbaren Rohrabmessungen, für den Einsatz in PKW-Abgasanlagen zu groß.

Der Coanda-Effekt als Haftströmung entlang gekrümmter Wände wird in zahlreichen weiteren Patenten genutzt: US 5,435,489; US 5,577,294; US 5,957,413; US 5,438,429; US 5,658,141.

Ein weiteres fluidisches Bauelement, das das Anhaften eines ringförmigen Strahles an die die Strömung umgebende feste Wandung nutzt, wird in DE 196 45 733 A1 beschrieben.

Innerhalb einer Coanda-Tulpe ist eine ebene Stauscheibe als Verdrängerkörper angeordnet. Diese Vorrichtung dient zur Beschickung von Rundbecken mittels Abwasser. Die Coanda-Tulpe wird als eine an die Rohrleitung ansatzlos anschließende, trompetenförmige, symmetrische Aufweitung beschrieben, wobei die Stauscheibe konzentrisch innerhalb der Aufweitung angeordnet und längs der Symmetrieachse von Rohr und Tulpe verschiebbar ausgebildet ist. Die gewollte Wirkung besteht darin, die Strömungsgeschwindigkeit im Ringspalt zu verändern, um das Absetzverhalten an das jeweilige Absetzbecken anzupassen und zu maximieren. Die Coanda-Tulpe wird auch in US 5,628,903; US 5,591,348; und 5,423,986 für Absetzaufgaben verwendet.

Eine Schaltung der Stoffströme in verschiedene Strömungsrichtungen ist hiermit nicht möglich.

Alle bisherigen Offenlegungen haben gezeigt, daß bei Verwendung einer ebenen Stauscheibe nur eine Strömung entlang der Coanda-Tulpe erzeugt werden kann.

Lösungen, die stabile Schaltungen in einem Haftstrahlelement erreichen, ordnen eine Ausnehmung oder eine konvexe Prallfläche genau gegenüber dem zwischen äußerem Kanalabschnitt und Verdrängerkörper freigegebenen Ringspalt an. Derartige Schaltelemente bauen sehr groß und erzeugt erhebliche Strömungsverluste.

Die Steuerung erfolgt durch äußere Druckimpulse, die über Leitungen zu den Öffnungen im Verdrängerkörper bzw. im äußeren Kanalabschnitt geführt werden und auf die Strömung wirken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltelement für Abgasanlagen zu entwickeln, das keine bewegten mechanischen Teile im Abgasstrom benötigt, keine dadurch bedingten Spalte zwischen den bewegten und ruhenden Teile erfordert, keine zur Fremdansteuerung bewegbaren und abzudichtenden Durchführungen nach außen bedürfen, geringere Strömungsverluste produziert, bistabile Schaltzustände ermöglicht, einen geringen mechanischen Fertigungsaufwand verursacht und annehmbare geometrische Abmessungen im Vergleich zur Gesamtanlage zuläßt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein fluidisches Schaltelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Das fluidische Schaltelement besteht aus einem Zuströmkanal, einer Coanda-Tulpe, mindestens 2 Auslaßkanälen und einem Verdrängerkörper. Der Verdrängerkörper ist im Bereich der Coanda-Tulpe angeordnet.

Der Zuströmkanal ist entweder als einfaches zylindrisches Rohr oder mit einer zusätzlichen konischen Erweiterung mit anschließendem zylindrischen Kanalabschnitt ausgebildet. Die Coanda-Tulpe schließt an einen zylindrischen Bereich des Zuströmkanals an.

Erfindungsgemäß besteht der Verdrängerkörper aus einer ebenen Anströmfläche, einem zylindrischen Mantelabschnitt und einem kugelförmigen Nachlauf.

Der Verdrängerkörper ist erfindungsgemäß so dimensioniert und angeordnet, daß die ebene Anströmfläche im Bereich des Ansatzes der Coanda-Tulpe an den zylindrischen Kanalabschnitt angeordnet ist, der zylindrische Mantel sich im Erweiterungsbereich der Coanda-Tulpe befindet und der Nachlauf im Endbereich der Coanda-Tulpe bzw. sogar in den äußeren Auslaßkanal hineinragt.

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 unmittelbar an die Coanda-Tulpe an.

Der Verdrängerkörper ist mindestens teilweise als Hohlkörper ausgebildet und über eine Steuerleitung mit einem Ventil oder beliebigem druckmittelbetriebenen Stellorgan verbunden.

Der Verdrängerkörper ist im Bereich der Mantelfläche im Bereich der Kante von Anströmfläche und Mantelfläche mit Öffnungen versehen.

Auch die Coanda-Tulpe ist auf ihrem Umfang mit Öffnungen versehen.

In diesem Bereich wird die Coanda-Tulpe von einer Ringleitung umschlossen, die schließlich über eine weitere Steuerleitung mit einem äußeren Ventil oder druckmittelbetriebenen Stellorgan verbunden ist.

Eigene Versuche haben bestätigt, daß es ausreicht, Öffnungen und Steuerleitungen entweder nur im Verdrängerkörper oder nur in der Coanda-Tulpe vorzusehen. Das hängt aber von der jeweiligen genauen Positionierung der Anströmfläche im Bereich des Ansatzes der Coanda-Tulpe an den zylindrischen Kanalabschnitt ab.

Die Wirkungsweise der Erfindung ist folgende:

Durch den Zuströmkanal fließt der ungeteilte Abgasmassenstrom. In einem ersten Schaltzustand ist das dem Verdrängerkörper zugeordnete Ventil geöffnet.

Die Strömung wird an der ebenen Anströmfläche radial nach außen abgelenkt und bildet hinter der äußeren Kante einen Ablösewirbel. Dieser Wirbel wird daran gehindert, sich wieder an die zylindrische Mantelfläche des Verdränger körpers anzulegen. Das erfolgt dadurch, daß durch das geöffnete Ventil und schließlich über die Öffnungen im zylindrischen 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 Verdränger körper verriegelt und die zur Coanda-Tulpe geöffnet.

Die Strömung legt sich nun nach dem Umströmen der äußeren Kante der Anströmfläche wieder an die zylindrische Mantelfläche an.

Im äußeren Bereich löst die Strömung von der Coanda-Tulpe ab, 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.

Ausführungsbeispiel

Anhand von Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erklärt werden.

Fig. 1 Fluidisches Schaltelement im Schaltzustand 1

Fig. 2 Fluidisches Schaltelement im Schaltzustand 2

Die Fig. 1 und 2 zeigen das fluidische Schaltelement, bestehend aus einem Zuströmkanal 1 mit konischer Erweiterung 2 und zylindrischem Kanalabschnitt 3, daran schließen die Coanda-Tulpe 5 und ein äußerer Auslaßkanal 11 mit Fangraum 13 an. Der inneren Auslaßkanal 12 mit Fangraum 14 befindet sich stromabwärts hinter dem Verdrängerkörper 6. Der Verdrängerkörper 6 besteht aus einer ebenen Anströmfläche 7 mit äußerer Kante 15, einem zylindrischem Mantel 8, 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. Der Verdrängerkörper 6 erzwingt eine Ringströmung 19, die an der äußeren Kante 15 ablöst.

Ist die Steuerleitung 20 freigegeben, kann über die Öffnungen 21 Fluid nach strömen. 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 Aus laßkanal 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 Kante 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 sind, oder nur mit der Steuerleitung 23, die an die Öffnungen 22 der Coanda-Tulpe 5 anschließen, die Strömung in Richtung des inneren Auslaßkanals 12 oder des äußeren Auslaßkanals 11 zu lenken. Erfindungsgemäß ist entscheidend 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.

Bezugszeichenliste

1

Zuströmkanal

2

konische Erweiterung

3

zylindrischer Kanalabschnitt

4

Ansatz der Coanda-Tulpe

5

Coanda-Tulpe

6

Verdrängerkörper

7

ebene Anströmfläche

8

zylindrischer Mantel

9

Nachlauf

10

Ringleitung

11

äußerer Auslaßkanal

12

innerer Auslaßkanal

13

äußerer Fangraum

14

innerer Fangraum

15

Kante

16

Ablösewirbel

17

Umlaufendes Wirbelgebiet

18

Wirbelgebiet

19

Ringströmung

20

Steuerleitung

21

Öffnungen

22

Öffnungen

23

Steuerleitung

24

Abgasmassenstrom

Claims

1. Fluidisches Schaltelement bestehend aus einem Zuströmkanal 1, einer Coanda-Tulpe 5, mindestens zwei Auslaßkanälen 11, 12, einem Verdrängerkörper 6 im Bereich der Coanda-Tulpe 5, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Verdrängerkörper 6 eine ebene Anströmfläche 7, einen zylindrischen Mantel 8 und einen kugelförmigen Nachlauf 9 aufweist,
- die ebene Anströmfläche 7 im Bereich des Ansatzes 4 der Coanda- Tulpe 5 an den Zuströmkanal 1 oder einen zylindrischen Kanalabschnitt 3 des Zuströmkanals 1 angeordnet ist,
- der zylindrische Mantel 8 im Erweiterungsabschnitt und der Nachlauf 9 im Endabschnitt der Coanda-Tulpe 5 angeordnet ist und/oder in einen der Auslaßkanäle 11, 12 hineinragt,
die Coanda-Tulpe 5 mit Öffnungen 22, einer Ringleitung 10 und einer Steuerleitung 23 und/oder der Verdrängerkörper 6 mit Öffnungen 21 und Steuerleitung 20 versehen ist.

2. Fluidisches Schaltelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Coanda-Tulpe 5 in der Schnittansicht eine Kreisbogenkontur vorzugsweise als Viertelkreisbogen ausgeführt ist.

3. Fluidisches Schaltelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßkanäle 11, 12 konzentrisch angeordnet sind und wahlweise mit jeweils einem konischen oder zylindrischen Fangraum 13, 14 versehen sind.

4. Fluidisches Schaltelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Fangraum 13 radial nach außen versetzt an die Coanda- Tulpe 5 anschließt.

5. Fluidisches Schaltelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der innere Auslaßkanal 12 mit einem Abstand stromabwärts hinter dem Verdrängerkörper 6 angeordnet ist.

6. Fluidisches Schaltelement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Einlaßkanal 1 und Coanda-Tulpe 5 eine konische Erweiterung 2 und ein zylindrischer Kanalabschnitt 3 angeordnet ist.