WO2001051777A2

WO2001051777A2 - Strömungsschalter

Info

Publication number: WO2001051777A2
Application number: PCT/EP2000/013261
Authority: WO
Inventors: Marek Birke; Gerhard Elfinger; Wolfgang Hahnl; Jürgen 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: 2000-12-23
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2002-07-07
Also published as: EP1244867B1; EP1244867A2; DE10000464A1; WO2001051777A3; DE50009679D1; DE10000464B4

Abstract

Bei einem 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, ist die Lage der Anströmfläche (7) in Strömungsrichtung veränderbar.

Description

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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 Hl O tr 0 Hl er 2. > N LQ SU <J > 03 M Co co P Φ < o Co Φ er O Hl Φ tu tu <

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gebnisse 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 Schaltaufg be als Volloder mindestens teilweise als Hohlkörper ausgebildet. Der einfachste und somit kostengünstigste Aufbau ist eine ebene Anströmfläche, der i 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 zweidi-

Grenzen ist die Strömung axial ausgerichtet . Durch den Zuströmkanal 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 m einer ersten Schaltläge 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 Anström- flache . Die Anströmfläche verschiebt sich m 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 . Em weiterer Schaltbereich befindet sich innerhalb der Coanda-Tulpe. Er ist durch die oben beschriebene zweite Grenze markiert. Die Anstrόmflache ist zunächst so angeordnet, daß die Strömung entlang der Coanda-Tulpe m den äußeren Strömungskanal abgeleitet wird. Steigert man nun den Massenstrom, dann steigt der Staudruck und die Anstromflache 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 Losung nutzt die Wärmeausdehnung fester, flüssiger oder gasförmiger Mittel, die beispielsweise m 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.

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

Ansprüche

Strömungsschalter mit einem Zuströmkanal (1) , einer Coanda-Tulpe (5) , mindestens zwei Auslaßkanälen (11 und 12) und einem im Bereich der Coanda-Tulpe (5) angeordneten Verdrängerkorper (6) , der eine Anströmfläche (7) und einen Mantel (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Anströmfläche (7) in Strömungs- richtung veränderbar ist .

Strömungsschalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Anströmfläche (7) mit einer Stelleinrichtung (20) verbunden ist.

Strömungsschalter nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Stelleinrichtung (20) als Federelement oder

Wärmedehnelement ausgebildet ist.

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 .

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. Strömungsschtlter 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.