DE3838798A1

DE3838798A1 - Injektor zur kombinierten nutzung

Info

Publication number: DE3838798A1
Application number: DE3838798A
Authority: DE
Inventors: Graf Von Ingelheim
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-11-17
Filing date: 1988-11-17
Publication date: 1990-05-23

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Injektor zur kombinierten Nutzung.

An vielen Maschinen, insbesondere Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren strömen Fluide mit einem gewissen Energieinhalt ab. Diese abströmende Energie ist reine Verlustenergie des Fahrzeugantriebs.

Ein Injektor ist eine Strömungsarbeitsmaschine ohne bewegte Teile, bei der ein Treibstrom in einer Düse beschleunigt wird und in einen sich unstetig erweiternden Saugraum strömt. Aus diesem Saugraum reißt das treibende Fluid Förderfluid mit sich in den Mischungskanal, wo es sich mit dem Förderfluid vermischt und den Mischungs kanal mit der Mischgeschwindigkeit u des Gesamtstroms verläßt. In einem anschließenden Diffusor wird die kinetische Energie der Gesamtströmung in potentielle Energie gewandelt.

Ein Injektor hat als Arbeitsmaschine einen vergleichsweise schlechten Wirkungsgrad von ca. 25-35%. Dennoch findet der Injektor sinnvolle Anwendungen vor allem dort, wo man Wert auf einfache, störungsfreie Maschinen oder auf wirtschaftliche Maschinen legt oder wo aus Geräusch- oder anderen Gründen Strömungsgeschwindig keiten herabgesetzt werden sollen.

Im Injektor bleibt der Impuls des Treibstroms erhalten. Nur seine mechanische Energie wird zum Teil in Wärmeenergie umgewandelt. Es ist ein Injektor in Verbindung mit einer Strömungsmaschine bekannt, bei dem zur Verbesserung der Steuerbarkeit der Strömungsmaschine mit Hilfe des Injektors kleine Strömungsvolumina vergrößert und damit auch die Strömungsgeschwindigkeiten durch Kanäle mit konstantem Querschnitt vergrößert werden können (EP 01 58 126 und US 4 75 18 179). Bei diesen Anwendungen dient der Injektor ausschließlich dazu die Steuerbarkeit der Strömungsmaschine zu ver bessern.

Im Unterschied dazu dient der erfindungsgemäße Injektor dazu mehrere Zwecke gleich zeitig zu erfüllen.

Bei Flugtriebwerken und Verbrennungsmotoren sind Maßnahmen zur Geräuschminderung der schnellen Abgase obligatorisch. Eine Verminderung der Strömungsgeschwindigkeiten ist die wirksamste Maßnahme. Bei Flugtriebwerken wird an den Abströmdüsen bereits eine Vermischung des Abgasstroms mit Umgebungsluft vorgenommen und damit der Abgasstrom gebremst. Bei Auspuffanlagen wird die kinetische Energie in mehreren hintereinandergeschalteten Räumen weitgehend in Wärmeenergie umgewandelt und damit die Geschwindigkeiten abgebaut.

Ziel der Erfindung ist es die so absichtlich "vernichtete" mechanische Energie am Fahrzeug noch einer sinnvollen Nutzung zuzuführen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Strömungsgeschwindigkeit in einem Injektor herabgesetzt wird und der Injektorsaugstrom oder der Mischstrom hinter dem Injektor noch zur Leistungsabgabe genutzt wird.

Die Abb. 1 dient der Erläuterung des erfindungsgemäßen Injektors als Teil der Auspuffanlage eines Fahrzeugs.

In einem PKW führt vom Motor 1 das Abgasrohr 2 zu einem verkürzten Auspufftopf 3 und von dort zur Treibdüse 5 eines Injektors 4. Im Injektor wird die Abgasgeschwindigkeit weiter vermindert und ein Förderstrom durch Saugrohre 10, 11, 12 angesaugt. Durch ein Mischrohr 20 mit einem anschließenden Diffusor 21 wird der Mischstrom nach außen ausgestoßen.

Der durch das erste Saugrohr 10 angesaugte Förderstrom dient der Bremsscheiben- Ladeluft- oder Ölkühlung. Der Saugstrom wird z. B. durch die Belüftungskanäle der Bremsscheibe gesaugt und fördert somit die Wärmeabfuhr.

Der durch das zweite Saugrohr 11 angesaugte Förderstrom dient dem Antrieb eines Gebläses. Der Saugkanal 11 beginnt hinter einem Turbinenrad 16, welches durch die Druckdifferenz von Atmosphärendruck und Unterdruck im Injektorsaugraum gedreht wird.

Die Turbine kann aber auch durch den Mischstrom des Injektors (Saugstrom = Außenluft oder wie in EP 01 58 126 Saugstrom = Turbinenabgas) getrieben werden.

Der Vorteil derartiger Turbinen gegenüber nur vom Abgasstrom angetriebener Turbinen ist gravierend:

1. Bei Abgasturbinen variiert das Durchströmvolumen sehr stark mit der Motordrehzahl und den Betriebspunkten im Motorkennfeld. Bei unverstellbaren Turbinen ist aber die Durchströmgeschwindigkeit linear abhängig vom Durchströmvolumen (Kontinuitätsgleichung). Folglich ändert sich die an der Turbine nutzbare Energie in 3. Potenz mit der Volumenänderung. Daher rühren die bekannten Erscheinungen wie das "Turbo loch". Bei vom Mischstrom angetriebenen ändert sich die nutzbare Energie nahezu linear mit dem Treibstromvolumen. Bei Saugstromturbinen ist die nutzbare Energie zwar wesentlich geringer als bei den beiden anderen Typen, dafür aber ist die nutzbare Energie auch bei unterschiedlichen Abgasvolumina nahezu gleich hoch.
2. Die Gastemperaturen an der Turbine sind wesentlich niedriger. Daher können die Turbinen billiger hergestellt werden.
3. Die die Turbine durchströmenden Luftmassen sind gegenüber der reinen Abgasturbine stark vergrößert und damit auch das Turbinenrad.
4. Die an einer Turbinenstufe abzubauende Druckdifferenz ist gering.
5. Vor, an und hinter der Turbine gibt es keine Drosselverluste, da sich Massenstrom und Turbinendrehzahl automatisch nach der Druckdifferenz richten.
6. In der Turbine kann teilweise die Druckdifferenz zwischen Fahrzeugvorderseite (Staudruck) und Fahrzeugheck (Saugdruck) genutzt werden.
7. Durch den Injektor werden die Pulsationen des Treibstroms für den Turbinenstrom gemildert.
8. Je stärker die Turbine die durchströmenden Luftmassen bremst, desto geringer ist die Abströmgeschwindigkeit aus dem Injektormischrohr und damit die Geräuschdämpfung umso höher.
9. Durch einen an das Mischrohr 20 des Injektors sich anschließenden Diffusor 21 kann der Druck im Saugraum erniedrigt und damit die Druckdifferenz an der Turbine vergrößert werden. Durch verstellbare Öffnungen 22 im Diffusor kann dessen Drucksteigerungswirkung gesteuert und so indirekt auch die Druckdifferenz an der Turbine verändert werden.

Eine derartige Turbine kann zum Antrieb eines Laders, eines Spülgebläses insbesondere bei 2-Takt-Motoren oder aber selber als Kühlgebläse oder als Saugpumpe genutzt werden.

Das dritte Saugrohr 12 dient der Grenzschichtabsaugung am Fahrzeugheck. Am Fahrzeug ist hinter einer Abrißkante 29 in der Karosserie eine Nut 30 parallel zur Abrißkante 29. In diese Nut 30 ist ein Rohr 31 mit Schlitzen 32 darin bündig mit der Oberfläche eingebettet. Wird nun durch das Rohr 31 und damit durch die Schlitze 32 Luft abgesaugt, so wird die Luftströmung an der Abrißkante stärker umgelenkt und Ablösungen und Wirbelbildungen der Grenzschicht vermieden.

Natürlich kann der Sog auch von einer mit der Abgasturbine angetriebenen Saugpumpe erzeugt werden.

Bei PKW's ist es sinnvoll, das Absaugrohr 31 von außen auf der Karosserie zu befestigen und nur für den Unterdruckkanal des gesamten Rohres einen Durchbruch durch die Karosserie zu schaffen. Dies ist sicherlich billiger zu realisieren und die Durchbrüche durch die Karosserie sind einfacher gegen Feuchtigkeit abzudichten.

Abb. 2 zeigt das Prinzip eines Abgasinjektors 40, bei dem die Treibdüse 41 mit Hilfe eines Dorns 42 verstellbar ist. Dieser Dorn 42 wird durch die Differenz von Abgas- und Ladedruck eingestellt. Die Saugstromturbine 45 treibt ein Gebläse, welches den Druck auf der einen Seite des den Dorn 42 einstellenden Kolben 46 erzeugt. Auf die andere Kolbenseite wirkt der Abgasdruck.

Claims

1. Maschine, an der ein Fluidstrom mit hoher Geschwindigkeit in ein umgebendes Fluid ausgestoßen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abbremsung des Fluidstroms relativ zur Maschine ein Injektor eingesetzt wird und die Bremsenergie als Injektorleistung des Mischstroms oder des Saugstroms des Injektors zur Abgabe von mechanischer Leistung, zur Kühlung oder zur Verbesserung des Strömungswiderstandes der Maschine genutzt wird.

2. Maschine unter Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Injektor zur Schalldämpfung durch Geschwindigkeitsverringerung schnell abströmender Gase eingesetzt wird und gleichzeitig die mechanische Injektorleistung zur Abgabe von Nutzarbeit verwendet wird.

3. Maschine unter Patentanspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auspuffgase eines Verbrennungsmotors als Treibstrom des Injektors genutzt werden und der Injektor einen Teil der Abgasschalldämpfungsanlage darstellt.

4. Maschine unter Patentanspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor 21 des Injektors mit verstellbaren Öffnungen 22 versehen ist, die zum Umgebungsdruck geöffnet werden können und mit denen der Druck im Saugraum, Mischrohr und Diffusor veränderbar ist.

5. Maschine unter Patentanspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß sie an einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor eingesetzt wird und der Saugstrom des Injektors oder der Mischstrom des Injektors

a) zur Kühlung von Motor, Bremsen, Ladeluft oder Schmieröl genutzt wird und/oder
b) zum Antrieb einer Turbine genutzt wird und/oder
c) zur c _w-Wert-Verbesserung eines Fahrzeugs genutzt wird.

6. Maschine unter Patentanspruch 1-5, die zur Grenzschichtabsaugung genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr 31 mit den Absaugöffnungen 32 von außen auf der Karosserie befestigt wird.