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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Düsenvorrichtung für eine Strahlpumpe, umfassend eine Antriebsdüse und eine erste Saugdüse, wobei die erste Saugdüse radial außerhalb der Antriebsdüse angeordnet ist und wobei die Düsenvorrichtung so gestaltet ist, dass ein Fluidstrom durch die Antriebsdüse einen Fluidstrom durch die erste Saugdüse treibt. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Strahlpumpe mit einer entsprechenden Düsenvorrichtung.
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Strahlpumpen werden zur Erzeugung eines sekundären Fluidstroms mittels eines primären Antriebsfluidstroms verwendet. Das primäre Antriebsfluid wird z.B. mit Hilfe einer Pumpe beschleunigt und so geführt, dass es mit einem sekundären Fluid in Kontakt kommt. Ein Geschwindigkeits- und Druckgradient zwischen den beiden Fluiden sorgt dafür, dass das zweite Fluid durch den ersten Fluidstrom beschleunigt wird. Daher wird bei Strahlpumpen der zweite Fluidstrom durch den ersten Fluidstrom angetrieben.
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Strahlpumpen können als einstufige oder mehrstufige Strahlpumpen mit mehreren Pumpenstufen und Düsen ausgeführt sein. Ein wesentlicher Nachteil von Strahlpumpen ist ihr geringer Wirkungsgrad, der aus der Vermischung eines Hochgeschwindigkeitsstrahls des primären Antriebsfluids mit einem nahezu stagnierenden Sekundärfluid resultiert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer verbesserten Strahlpumpe und einer verbesserten Strahlpumpendüsengeometrie, die im Vergleich zu bekannten Strahlpumpen und Strahlpumpendüsengeometrien bessere Wirkungsgrade aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Düsenvorrichtung nach Anspruch 1 und durch eine Strahlpumpe nach Anspruch 10 gelöst, wobei die Strahlpumpe mindestens eine solche Düsenvorrichtung umfasst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß ist eine Düsenvorrichtung für eine Strahlpumpe vorgesehen, wobei die Düsenvorrichtung eine Antriebsdüse und eine erste Saugdüse umfasst, wobei die erste Saugdüse radial außerhalb der Antriebsdüse angeordnet ist und wobei die Düsenvorrichtung so ausgebildet ist, dass eine Fluidströmung durch die Antriebsdüse eine Fluidströmung durch die erste Saugdüse treibt. In einer einfachen Ausführungsform kann ein Antriebsdüsenauslass nahe genug an einem ersten Saugdüsenauslass angeordnet sein, so dass der Niederdruck- und Hochgeschwindigkeits-Fluidstrom der Antriebsdüse mit dem Fluid der ersten Saugdüse wechselwirken kann.
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Dies hängt damit zusammen, dass die oben definierte Scherspannung das Produkt aus der Fluidviskosität und dem Geschwindigkeitsgradienten ist. Letzterer kann bei den aus dem Stand der Technik bekannten Strahlpumpen sehr groß sein. Hohe Scherspannungen führen zur Erzeugung von Turbulenzen, die wiederum zur Dissipation von Primärenergie führen, was der Grund für den geringen Wirkungsgrad der bekannten Strahlpumpen ist. Die Strahlpumpe und die Düsenvorrichtung der vorliegenden Erfindung sorgen für einen verbesserten Wirkungsgrad der Strahlpumpe, da die Scherspannungen reduziert werden, wenn die Vermischung der zwei oder mehr Massen- oder Fluidströme induziert wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Düsenvorrichtung so gestaltet sein, dass die erste Saugdüse konzentrisch um die Antriebsdüse angeordnet ist und/oder dass die erste Saugdüse ein achsensymmetrisches Volumen, wie z.B. ein toroidales Volumen, umfasst. Die Antriebsdüse und/oder die erste Saugdüse können Düsenwandabschnitte umfassen, die insbesondere um eine Mittelachse einer der Düsen oder beider Düsen rotationssymmetrisch sind.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Düsenvorrichtung so gestaltet sein, dass stromabwärts der Antriebsdüse und der ersten Saugdüse ein erstes Mischrohr vorgesehen ist. Das erste Mischrohr kann mit einer Außenwand der ersten Saugdüse verbunden sein. Insbesondere können das erste Mischrohr und die Außenwand der ersten Saugdüse aus einem Stück gefertigt sein. Das erste Mischrohr, die Antriebsdüse und die erste Saugdüse können koaxial zueinander angeordnet sein.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Düsenvorrichtung so gestaltet sein, dass das erste Mischrohr eine erste Diffusorstufe am stromabwärtigen Ende des ersten Mischrohres umfasst. Die erste Diffusorstufe kann eine größere Querschnittsfläche aufweisen als ein Abschnitt des ersten Mischrohrs, der weiter stromaufwärts an der ersten Diffusorstufe angeordnet ist. Die erste Diffusorstufe des ersten Mischrohrs kann konzentrisch zu anderen Abschnitten des ersten Mischrohrs und/oder der Antriebsdüse und/oder der ersten Saugdüse angeordnet sein.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Düsenvorrichtung so gestaltet sein, dass stromabwärts des ersten Mischrohrs eine zweite Saugdüse angeordnet ist, wobei die Düsenvorrichtung so gestaltet ist, dass eine Fluidströmung durch das erste Mischrohr ein Fluid durch die zweite Saugdüse treibt und/oder wobei die zweite Saugdüse konzentrisch um das erste Mischrohr angeordnet ist und/oder wobei die zweite Saugdüse ein achsensymmetrisches Volumen umfasst. Der Aufbau und die Funktion der zweiten Saugdüse können gegebenenfalls Merkmale wie die in Bezug auf die erste Saugdüse beschriebenen umfassen.
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Insbesondere kann die zweite Saugdüse nahe genug am Auslass des ersten Mischrohrs angeordnet sein, so dass der Niederdruck- und Hochgeschwindigkeits-Fluidstrom des ersten Mischrohrs mit dem Fluid der zweiten Saugdüse interagieren kann. Die zweite Saugdüse kann so positioniert sein, dass die Scherspannung an der Grenzfläche zwischen dem Strahl und der Saugmasse oder dem Fluidstrom durch das erste Mischrohr und dem Fluidstrom durch die zweite Saugdüse reduziert wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Düsenvorrichtung so gestaltet sein, dass stromabwärts des ersten Mischrohrs und der zweiten Saugdüse ein zweites Mischrohr vorgesehen ist. Das zweite Mischrohr kann mit einer Außenwand der zweiten Saugdüse verbunden sein. Insbesondere können das zweite Mischrohr und die Außenwand der zweiten Saugdüse aus einem Stück gefertigt sein. Das zweite Mischrohr, das erste Mischrohr, die Antriebsdüse und/oder die erste und zweite Saugdüse können koaxial zueinander angeordnet sein.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Düsenvorrichtung so gestaltet sein, dass das zweite Mischrohr eine zweite Diffusorstufe am stromabwärtigen Ende des zweiten Mischrohres umfasst. Die zweite Diffusorstufe kann eine größere Querschnittsfläche aufweisen als ein Abschnitt des zweiten Mischrohrs, der weiter stromaufwärts an der zweiten Diffusorstufe angeordnet ist. Die zweite Diffusorstufe kann konzentrisch zu anderen Abschnitten des zweiten Mischrohrs und/oder der Antriebsdüse und/oder der ersten und/oder zweiten Saugdüse angeordnet sein.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Düsenvorrichtung so gestaltet sein, dass ein erstes Fluid durch die Antriebsdüse und ein zweites Fluid durch die erste und/oder die zweite Saugdüse strömt, wobei das erste und das zweite Fluid die gleichen Arten von Fluiden sind oder wobei das erste und das zweite Fluid unterschiedliche Arten von Fluiden sind. Das erste Fluid, das durch die Antriebsdüse strömt, kann als das Antriebsfluid betrachtet werden. Das erste und das zweite Fluid können von der gleichen Fluidquelle oder von verschiedenen und getrennten Fluidquellen bereitgestellt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Düsenvorrichtung so gestaltet sein, dass das erste Fluid ein Gas und das zweite Fluid ein Gas ist und/oder dass das zweite Fluid eine Flüssigkeit ist. Im Allgemeinen kann die vorliegende Düsenkonstruktion mit jeder geeigneten Kombination von Flüssigkeiten und/oder Gasen verwendet werden. In Fällen, in denen ein Gas als eines oder beide Fluide verwendet wird, können Luft, Brennstoffdämpfe, Verbrennungsgase und deren Gemische als eines der beiden Fluide gewählt werden.
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Die vorliegende Erfindung ist auch auf eine Strahlpumpe gerichtet, die mindestens eine Düsenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 umfasst. Der Begriff Strahlpumpe kann so verstanden werden, dass er neben der Düsenvorrichtung weitere Komponenten umfasst. Solche weiteren Komponenten können eine Energiequelle, eine Druckquelle, eine Steuereinrichtung, elektronische Verbindungen, Fluidverbindungen, eine oder mehrere Fluidquellen und/oder Fluidleitungen umfassen.
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Weitere Details und Vorteile der Erfindung sind mit Bezug auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen beschrieben.
- 1: Düsenvorrichtung mit einer Antriebsdüse und zwei Saugdüsen;
- 2a, 2b: Schematische Darstellung einer Düsenvorrichtung nach dem Stand der Technik; und
- 3a, 3b: Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Düsenvorrichtung.
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1 zeigt eine Düsenvorrichtung für eine Strahlpumpe. Der Begriff Strahlpumpe kann in einem weiten Sinne verstanden werden und kann neben der in 1 gezeigten eigentlichen Düsengeometrie weitere zusätzliche Komponenten umfassen. Die Düsenvorrichtung umfasst eine Antriebsdüse 10 und eine ersten Saugdüse 1, wobei die erste Saugdüse 1 radial außerhalb der Antriebsdüse 10 angeordnet ist und wobei die Düsenvorrichtung so ausgebildet ist, dass eine Fluidströmung durch die Antriebsdüse 10 ein Fluid durch die erste Saugdüse 1 treibt. Die Düsenvorrichtung kann um eine Mittellinie C angeordnet sein. Insbesondere kann die Düsenvorrichtung zumindest teilweise symmetrisch zur Mittellinie C sein.
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Die erste Saugdüse 1 kann konzentrisch um die Antriebsdüse 10 angeordnet sein. Die Antriebsdüse 10 kann einen kreisförmigen Querschnitt haben und zylindrische Leitungsabschnitten umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Antriebsdüse 10 nichtzylindrische Leitungsabschnitte umfassen. Die erste Saugdüse 1 kann ein rotationssymmetrisches Volumen oder rotationssymmetrische Leitungsabschnitte umfassen. Die Leitungsabschnitte der Antriebsdüse 10 können zumindest teilweise innerhalb der Leitungsabschnitte der ersten Saugdüse 1 positioniert sein. In diesen Fällen kann die Düsenvorrichtung zumindest an einigen Positionen entlang der Mittellinie C Rotationssymmetrie um die Mittellinie C aufweisen.
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Alternativ kann die Düsenvorrichtung eine Reflexionssymmetrie um eine Ebene aufweisen, die die Mittellinie C umfasst und senkrecht zur Projektionsebene von 1 liegt. In diesem Fall können die Saugdüse 1 und die Antriebsdüse 10 z.B. quaderförmige oder annähernd quaderförmige Leitungsabschnitte umfassen. Darüber hinaus kann die Düsenvorrichtung keine Reflexionssymmetrie um die oben definierte Ebene, sondern Leitungsabschnitte mit ausschließlich oder zumindest teilweise quaderförmigen Geometrien umfassen. Der Begriff Leitungsabschnitt kann vorliegend so verstanden werden, dass er sich auf Leitungsabschnitte bezieht, die in radialer Richtung durch feste Wände begrenzt sind. Die festen Wände können die Leitungsabschnitte in Umfangsrichtung der Leitungsabschnitte vollständig umgeben.
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Die Leitungsabschnitte der Antriebsdüse 10 und der ersten Saugdüse 1 können zumindest teilweise durch eine erste Wand 11 getrennt sein. Die erste Wand 11 kann einen konischen Abschnitt und mindestens einen zylindrischen Abschnitt umfassen, der direkt mit dem konischen Abschnitt verbunden ist.
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Das rechte Ende oder stromabwärts gelegene Ende der ersten Wand 11 kann als Austrittsabschnitt der Antriebsdüse 10 betrachtet werden, in dem das erste Fluid der Antriebsdüse 10 auf das zweite Fluid der ersten Saugdüse 1 trifft und die beiden Fluide miteinander wechselwirken, so dass das zweite Fluid durch das erste Fluid getrieben wird. Die Innenseite der ersten Wand 11 kann die Antriebsdüse 10 vollständig umgeben und somit allein die Querschnittsfläche und Form der Antriebsdüse 10 definieren. Die Außenseite der ersten Wand 11 kann die Innenbegrenzung der ersten Saugdüse 1 definieren. Die Innen- und Außenseite der ersten Wand 11 können zueinander parallele oder nahezu parallele Flächen umfassen. Insbesondere kann die erste Wand 11 mindestens einen zylindrischen Abschnitt oder einen Abschnitt mit konstanter Querschnittsfläche entlang der Strömungsrichtung umfassen. Dies gilt insbesondere für den Teil der ersten Wand 11, der der am weitesten stromabwärts gelegenen Teil der ersten Wand 11 oder der nahe dem am weitesten stromabwärts gelegenen Teil der ersten Wand 11 ist. Diese enge Ausrichtung dieser beiden Seiten der ersten Wand 11 gewährleistet, dass die Stromlinien der Strömung durch die Antriebsdüse 10 und die Stromlinien der Strömung durch die erste Saugdüse 1 parallel oder nahezu parallel zueinander verlaufen, wenn sie zusammenfließen oder aufeinandertreffen.
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Stromabwärts des Austrittsabschnitts der Antriebsdüse 10 ist ein erstes Mischrohr 3 vorgesehen. Die Strömungsrichtung des Fluides wird durch die drei Pfeile links und oberhalb der Düsenvorrichtung angezeigt. Um und nahe der Mittellinie C verläuft die allgemeine Strömungsrichtung in 1 von links nach rechts. Nachgeschaltete Positionen von Komponenten befinden sich daher auf den rechten Seiten der Komponenten der Düsenvorrichtung in 1.
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Das erste Mischrohr 3 ist somit stromabwärts der Antriebsdüse 10 und der ersten Saugdüse 1 vorgesehen. Der Durchmesser oder die Querschnittsfläche des Mischrohrs 3 kann so gewählt werden, dass es den kombinierten Volumenstrom der Antriebsdüse 10 und der ersten Saugdüse 1 aufnehmen kann.
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Das erste Mischrohr 3 kann durch eine zweite Wand 32 begrenzt sein und/oder das erste Mischrohr 3 kann einen teilweise oder vollständig zylindrischen Leitungsabschnitt umfassen. Die Länge des ersten Mischrohrs 3 kann so gewählt werden, dass sie das 2- bis 5-fache der Breite oder des Durchmessers des Mischrohrs 3 beträgt. Insbesondere kann die Länge des Mischrohrs 3 so gewählt werden, dass sie das 2,5- bis 4-fache der Breite oder des Durchmessers des Mischrohrs 3 beträgt.
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Das erste Mischrohr 3 kann so ausgebildet sein, dass es eine erste Diffusorstufe 31 am stromabwärtigen Ende des ersten Mischrohrs 3 umfasst. Die erste Diffusorstufe 31 kann eine größere Querschnittsfläche, einen größeren Durchmesser oder eine größere Breite aufweisen als andere, insbesondere stromaufwärts gelegene Teile des ersten Mischrohrs 3. Die erste Diffusorstufe 31 kann der stromabwärtigste Teil oder nahe dem stromabwärtigsten Teil des ersten Mischrohrs 3 sein. Das erste Mischrohr 3 und die erste Diffusorstufe 31 können einstückig durch die zweite Wand 32 gebildet sein.
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Die erste Diffusorstufe 31 kann nahe bei oder Teil einer zweiten Saugdüse 2 sein, die stromabwärts des ersten Mischrohrs 3 angeordnet ist, wobei die Düsenvorrichtung so ausgelegt ist, dass eine Fluidströmung durch das erste Mischrohr 3 ein Fluid durch die zweite Saugdüse 2 treibt und/oder wobei die zweite Saugdüse 2 konzentrisch um das erste Mischrohr 3 angeordnet ist und/oder wobei die zweite Saugdüse 2 ein achsensymmetrisches Volumen aufweist, das durch innere und äußere Wände begrenzt ist.
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Wie im Ausführungsbeispiel von 1 dargestellt, kann die vorliegende Düsenvorrichtung eine ein- oder mehrstufige Düsenvorrichtung sein, die eine Vielzahl von Saugdüsen 1, 2 und/oder Antriebsdüsen 10 umfasst. Daher kann der am weitesten stromabwärts gelegene Abschnitt des ersten Mischrohrs 3, insbesondere der Austrittsabschnitt des ersten Mischrohrs 3, als eine weitere Antriebsdüse oder als Teil einer weiteren Antriebsdüse zum Antreiben von Fluid durch die zweite Saugdüse 2 angesehen werden.
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Die Geometrie der zweiten Saugdüse 2 kann der Geometrie der ersten Saugdüse 1 insofern entsprechen, als sie eine Rotationssymmetrie um die Mittellinie C oder eine Reflexionssymmetrie in Analogie zu der oben beschriebenen Reflexionssymmetrie der ersten Saugdüse 1 aufweisen kann. Alternativ ist auch eine nicht-symmetrische Ausführung wie oben beschrieben möglich. Weiterhin können die Wände, die die zweite Saugdüse 2 begrenzen, d.h. die zweite Wand 32 an der Innenseite der zweiten Saugdüse 2 und eine weitere Wand an der Außenseite der zweiten Saugdüse 2, so ausgerichtet sein, dass sie die Strömung durch die zweite Saugdüse 2 eng an die Strömung durch das erste Mischrohr 3 ausrichten. Insbesondere kann die zweite Saugdüse 2 so ausgerichtet sein, dass sich die Geschwindigkeitsvektoren des Fluidstroms durch die zweite Saugdüse 2 den Geschwindigkeitsvektoren des Fluidstroms durch das erste Mischrohr 3 in Richtung und Größe annähern. Die Begrenzungswände der zweiten Saugdüse 2 können daher parallel und/oder abgewinkelt zur Strömungsrichtung durch das Mischrohr 3 sein, so dass sich die Strömung durch das erste Mischrohr 3 und die Strömung durch die zweite Saugdüse 2 mit nur minimalen Verlusten vermischen.
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Ein zweites Mischrohr 4 kann stromabwärts des ersten Mischrohrs 3 und der zweiten Saugdüse 2 vorgesehen sein. Das zweite Mischrohr 4 kann zylindrische Leitungsabschnitte und/oder eine zweite Diffusorstufe 41 am stromabwärtigen Ende des zweiten Mischrohrs 4 umfassen. Das stromabwärtige Ende des zweiten Mischrohrs 4 kann mit einer Fluidleitung verbunden oder verbindbar sein.
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Während des Betriebs der Düsenvorrichtung wird die Antriebsdüse 10 von einem ersten Fluid durchströmt und die erste Saugdüse 1 und/oder die zweite Saugdüse 2 werden von einem zweiten Fluid durchströmt, wobei das erste und das zweite Fluid die gleichen Arten von Fluiden sind oder wobei das erste und das zweite Fluid unterschiedliche Arten von Fluiden sind. Das erste Fluid der Antriebsdüse 10 treibt die durch die Saugdüsen 1, 2 strömenden Fluide an, und die Fluide können Gase und/oder Flüssigkeiten sein.
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Die erste Saugdüse 1 oder die zwei oder mehr Saugdüsen 1, 2 können ringförmig oder in der Nähe von ringförmigen Düsen sein, die die kreisförmige Antriebsdüse 10 umgeben oder weitere Antriebsdüsen zumindest teilweise umgeben. Die Antriebsdüse 10 kann konzentrisch oder in anderer Weise umgeben sein. Die Antriebsdüse 10 kann eine Treibluftdüse sein. Die Düsenvorrichtung kann zusammen mit einem Turbolader eines Verbrennungsmotors verwendet werden. In diesem Fall kann die Düsenvorrichtung als Teil einer Strahlpumpe betrachtet werden, die Gase z.B. aus einem Kraftstofftank in den Verbrennungsmotor pumpt.
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Die Düsen der vorliegenden Erfindung können so gestaltet sein, dass die Strömungsgeschwindigkeiten und/oder die Strömungsrichtungen benachbarter Düsen möglichst ähnlich sind. Insbesondere können die Düsen so gestaltet sein, dass die Strömungsrichtungen und/oder -geschwindigkeiten des ersten aus der Antriebsdüse 10 austretenden Fluidstroms möglichst ähnlich sind wie die des zweiten aus der ersten und/oder zweiten Saugdüse 1, 2 austretenden Fluidstroms.
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Die vorliegende Düsenvorrichtung und die entsprechenden Strahlpumpen bieten mindestens eine zusätzliche Saugdüse 1, 2, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Saugstroms erhöht wird, bevor er sich mit dem Antriebsstrom vermischt. Die zusätzliche Saugdüse 1, 2 reduziert wirksam die Erzeugung von Turbulenzen bei der Vermischung der mindestens zwei Fluidströme, d.h. des ersten und des zweiten Fluidstroms. Dadurch werden Leistung und Wirkungsgrad der Pumpe erhöht.
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Die Energie wird den entsprechenden Strahlpumpen in Form eines treibenden Massenstroms zugeführt, der in einer Antriebsdüse beschleunigt wird und entsprechend einen Fluidstrahl mit hoher Geschwindigkeit und niedrigen Drücken erzeugt. Der entstehende Unterdruck wird genutzt, um einen Saugmassenstrom in die Pumpen- oder Düsenvorrichtung zu ziehen, der sich mit dem Antriebsstrom, d.h. dem ersten Fluidstrom, vermischt. Der treibende Massenstrom oder erste Fluidstrom und der Saugmassenstrom oder zweite Fluidstrom verlassen die Pumpe oder Düsenvorrichtung, nachdem sie eine oder mehrere Diffusorstufen 31, 41 passiert haben, die den Druck des Stroms erhöhen.
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Ein Hauptvorteil der Strahlpumpen ist ihre einfache Konstruktion ohne bewegliche Teile. Zu den wesentlichen Nachteilen gehört der geringe Wirkungsgrad solcher Pumpen, der sich aus der Vermischung eines Hochgeschwindigkeitsstrahls mit einem nahezu stagnierenden Fluid ergibt.
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2a zeigt eine schematische Darstellung einer typischen Strahlpumpenströmungskonfiguration, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. 2b zeigt eine vereinfachte Darstellung des entsprechenden Fluidstroms. Wie in 2a dargestellt, wird ein Strahl mit hoher Geschwindigkeit durch eine Antriebsdüse 10 erzeugt, die den Saugmassenstrom ansaugt, der typischerweise eine sehr geringe Geschwindigkeit hat.
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2b ist eine idealisierte Darstellung einer typischen Strahlpumpenströmung. Der Saugmassenstrom mit niedriger Geschwindigkeit wird durch die kurzen horizontalen Pfeile angezeigt. Er vermischt sich mit dem Hochgeschwindigkeitsstrahl, der durch lange horizontale Pfeile angezeigt wird. Der gezeigte hohe Geschwindigkeitsgradient führt zu hohen Scherspannungen. Die in 2b dargestellte Strömung berücksichtigt nur die Strömungskomponente in Strahlrichtung, d.h. in horizontaler Richtung.
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Die Scherspannung τ an der Grenzfläche zwischen Strahl- und Saugmassenstrom bzw. zwischen dem ersten und zweiten Fluidstrom steigt mit dem Geschwindigkeitsgradienten des entsprechenden Fluidstroms. Letzterer ist aufgrund der hohen Geschwindigkeitsdifferenz der beiden Fluidströme in der Regel sehr groß. Hohe Scherspannungen führen zur Erzeugung von Turbulenzen, die wiederum zur Dissipation von Primärenergie führen, was der Grund für den geringen Wirkungsgrad von Strahlpumpen ist. Eine effizientere Strahlpumpe erfordert eine Reduzierung der Scherspannungen, die durch die Vermischung der beiden Massenströme induziert werden. Da die Strahlgeschwindigkeit durch den erforderlichen Pumpendruck bestimmt wird, kann die Scherspannung an der Grenzfläche nur durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Saugstroms in Richtung des Strahlstroms reduziert werden.
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Die 3a und 3b zeigen eine Strahlpumpenströmungskonfiguration, bei der der Saugstrom vor der Vermischung mit dem Strahl beschleunigt wird, wodurch der Geschwindigkeitsgradient verringert wird. Dadurch verringern sich die Scherspannungen und damit die Menge der erzeugten Turbulenzen und der dissipierten Energie. Infolgedessen geht weniger Energie verloren, und die Strahlpumpe ist effizienter. In 3a umfasst die Strahlpumpe oder Düsenvorrichtung die Antriebsdüse 10 und die ersten Saugdüse 1 für den Saugstrom. 3b zeigt eine idealisierte Darstellung der entsprechenden Strömung. Die Saugstromgeschwindigkeit wird durch die kürzeren horizontalen Pfeile und die Strahlstromgeschwindigkeit durch die längeren horizontalen Pfeile angezeigt. Wie man sieht, ist der Längen- und damit Geschwindigkeitsunterschied geringer als in der in 2b dargestellten Situation. Daher ist die Scherspannung reduziert. Die in 3b gezeigte Strömung berücksichtigt wie bisher nur die Strömungskomponente in Strahlrichtung, d.h. die horizontale Richtung. Die Saugdüsen 1, 2 können so ausgebildet sein, dass sie den zweiten Fluidstrom so lenken, dass er sich dem ersten Fluidstrom parallel zu diesem oder in einem sehr kleinen Winkel nähert. Um diesen Effekt zu erreichen, können die Saugdüsen 1, 2 entsprechend abgewinkelte Begrenzungen umfassen.
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Die vorliegende Erfindung ist von besonderem Nutzen für die Entlüftung von Kurbelgehäusen und Kraftstofftanks von Fahrzeugen. Aufgrund des Blow-by und der Kraftstoffverdampfung müssen diese Bauteile durch entsprechende Strahlpumpen belüftet werden, um die aktuellen Emissionsvorschriften einzuhalten. Dabei kann die einem Verbrennungsmotor zugeführte Luft als Antriebs- oder erstes Fluid verwendet werden. Bei der bereitgestellten Luft kann es sich um Druckluft z.B. von einem Turbolader oder einem Kompressor handeln. Die vorliegende Erfindung stellt hochleistungsfähige Mittel zur Belüftung dieser Komponenten bei Leerlauf- und Vollgasbetrieb zur Verfügung, was zu niedrigen und hohen Antriebsdrücken führt. Gleichzeitig stellt die vorliegende Erfindung Strahlpumpen mit niedrigem Verbrauch von Antriebsluft oder Antriebsfluid bei Vollgasbetrieb des Motors bereit.
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Die Erfindung ist nicht auf eine der oben beschriebenen Ausführungsformen oder Merkmale beschränkt. Die Erfindung kann verschiedene Ergänzungen oder Änderungen der beschriebenen Ausführungsformen umfassen.
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Alle sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen ergebenden Merkmale und Vorteile, einschließlich baulicher Details, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl einzeln als auch in den verschiedensten Kombinationen für die Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Saugdüse
- 2
- zweite Saugdüse
- 3
- erstes Mischrohr
- 4
- zweite Mischrohr
- 10
- Antriebsdüse
- 11
- erste Wand
- 31
- erste Diffusorstufe
- 32
- zweite Wand
- 41
- zweite Diffusorstufe
- C
- Mittellinie
