Die gesetzlichen Forderungen nach Lärmreduktion und Minde- rung von Schadstoffanteilen in den Abgasen von Verbren- nungsmotoren führen zu immer komplexeren Abgasanlagen. Es entstehen Abgasanlagen mit immer größeren Strömungswider- ständen. Der steigende Energieaufwand muß vom Motor bereit- gestellt werden. Gleichzeitig steigen auch die Kosten für diese Anlagen. Dem stehen die Forderungen der Fahrzeugher- steller 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 Be- triebspunkt des Motors-unterschiedliche Behandlungs- vorrichtungen eingesetzt. Die überwiegende Mehrheit der technischen Lösungen zur Stoffstromschaltung in Abgasan- lagen 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 AI ; DE 197 15 939 Cl ; DE 198 17 340 Al ; zur Abgasrückführung : DE 196 37 078 Al).

Der Vorteil dieser Lösungen besteht darin, daß die geome- trischen Abmessungen der Schaltelemente in einem angemes- senen Verhältnis stehen zu den Abmessungen der zu-und ab- führenden 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 entsprechen- der Weise müssen z. B. auch hochwertigere Lagerwerkstoffe aus Keramik eingesetzt werden. Die einzusetzenden Materia- lien werden allerdings mit steigender Temperaturbeständig- keit immer teurer. Im übrigen können mechanische Fertig- keitsprobleme entstehen ; denn Abgasanlagen unterliegen gleichzeitig hohen mechanischen Anforderungen. Es treten Schwingungen mit Belastung bis zu 50-facher Erdbeschleuni- gung auf, zusätzlich wirken Temperaturwechsel-insbesondere Thermoschockbeanspruchungen.

Im übrigen erfordern mechanische Bauteile, bestehend aus Welle und Lager, immer ein definiertes Spiel, das im allge- meinen 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 Schließe- wegungen des Verschlußorgans behindern.

Um diese Probleme zu lösen, bedarf es relativ aufwendiger Konstruktionen.

Die vorstehend angegebenen, mit mechanischen Schaltelemen- ten 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, Heidel- berg, New York 1976,244 S. bekannten, vermaßten Haft- strahlelemente 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 Ab- gasanlagen 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 Kraft- fahrzeuge. Jeweils soll der Abgasstrom abhängig vom Be- triebspunkt des Verbrennungsmotors unterschiedlichen Ab- gasbehandlungseinrichtungen zugeführt werden, wobei eine aktive, fremdgesteuerte wie auch eine passive, autonome Um- schaltung des Schaltelements beschrieben wird.

Ein gewichtiges Problem derartiger fluidischer Schaltele- mente ist die Stabilität des jeweiligen Schaltzustandes.

Zur Aufrechterhaltung stabiler Schaltzustände wird regel- mäßig eine Zirkulationsströmung benötigt, die in den be- kannten technischen Lösungen durch eine konkave Prall- fläche, 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 gegen- über dem engsten Strömungsquerschnitt angeordnet. Im engsten Strömungsquerschnitt treten aber die größten Strömungsgeschwindigkeiten auf. Diese hohen Strömungsge- schwindigkeiten führen in Verbindung mit den beschriebenen Vorrichtungen und ihrer Anordnung zu großen Strömungsver- lusten 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-Ab- gasanlagen 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 Strömungsver- luste produziert, bei einem möglichst präzisen Schaltpunkt bistabile Schaltzustände ermöglicht, einen geringen mecha- nischen Fertigungsaufwand verursacht und annehmbare geome- trische 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 Schaltele- ment ausgeführt sein können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein flui- disches Schaltelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Das fluidische Schaltelement nach der vorliegenden Erfin- dung 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 Ab- reißkante begünstigt in Verbindung mit den übrigen Merk- malen des erfindungsgemäßen Schaltelements die Reprodu- zierbarkeit des Schaltpunkts, d. h. sie unterstützt maßgeb- lich, daß das Schaltelement möglichst präzise bei einem be- stimmten, vorgegebenen Schaltpunkt von einem ersten Schalt- zustand 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 aus- geführt sein, an das die Coanda-Tulpe unmittelbar an- schließt. Besonders bevorzugt ist er indessen als zylin- drisches Rohr mit einer zusätzlichen konischen Erweiterung mit anschließendem vorzugsweise zylindrischen Kanalab- schnitt 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 faß- artig 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 Erweiterungs- bereich 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 unmittel- bar 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 Be- dingungen auf einen genau definierten Massenstrom ein- stellen, sind erfindungsgemäß folgende Zusatzmaßnahmen an- wendbar : -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 auf- weisen, scharfkantig oder abgerundet sein. Die Anord- nung von Unterbrechungen, Zacken oder beliebige Unre- gelmäßigkeiten 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 Verdränger- körpers 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 Druck- niveau kann insbesondere ein stromaufwärts oder stromabwärts vom Verdrängungskörper liegender Ab- schnitt 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 ver- sehen sein können.

-Der stromabwärts gerichtete Abschluß des Verdränger- körpers kann entfallen (s. o.), oder als im wesentli- chen ebene Scheibe, als Halbkugel oder als sonstiges geeignetes Strömungsprofil ausgebildet sein.

-Bei bestimmten geometrischen Anforderungen an den Einbauraum, kann das System aus Coanda-Tulpe, Ver- drängerkörper Zuströmkanal und Auslaßkanälen von der koaxialen, axialsymmetrischen Form abweichen. In diesem Sinne kommt beispielsweise zur besonders flachen Ausführung des Schaltelements eine zweidi- mensionale 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 steuerungstech- nischen 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 Prozeß- führung ein definierbares Schaltfenster existiert, das durch meist zwei axiale Positionslagen der ebenen Anström- fläche innerhalb der Coanda-Tulpe und/oder des Zuström- rohres begrenzt wird und durch die oben beschriebenen zu- sätzlichen 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 Abgasmassen- strom. Bei niedriger Geschwindigkeit strömt das Fluid durch das Zuströmrohr dem Verdrängerkörper zu, wird durch den Verdrängerkörper abgelenkt und löst sich an der erfindungs- gemäß vorgesehenen Abreißkante, d. h. je nach konstruktiver Ausführung dem äußeren Rand der Anströmfläche, dem Grenz- schichtzaun 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 Abström- kanal, 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 Ab- strömkanal. Der Schaltpunkt kann durch die oben beschriebe- nen Zusatzmaßnahmen je nach Wunsch zu kleineren oder größe- ren Massenstromwerten verlagert werden. So kann durch die Entnahme von Fluid aus einem höheren Druckniveau, zum Bei- spiel aus einem stromaufwärts liegenden Kanalabschnitt, und Einleitung in den Verdrängerkörper mit anschließendem Aus- tritt aus am Umfang des Verdrängerkörpers angeordneten Öffnungen in das am Verdrängerkörper anliegende Wirbelge- biet, 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 ver- schiedene 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 ver- sehen, 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 abge- lenkt und bildet hinter der äußeren Abreißkante einen Ab- lösewirbel. 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 Aus- laßkanal 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 Fertigungsunge- nauigkeiten 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 Erweite- rung 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 Anström- fläche 7 mit äußerer Abreißkante 15, einem zylindrischem Mantel 8 und einem Nachlauf 9.

Auf dem Umfang der Coanda-Tulpe 5 sind Öffnungen 22 ange- ordnet, die über eine Ringleitung 10 mit einer Steuerlei- tung 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 Schaltele- ment über die Zuströmleitung 1 ein. Der Verdrängerkörper 6 erzwingt eine Ringströmung 19, die an der äußeren Abreiß- kante 15 ablöst.

Ist die Steuerleitung 20 freigegeben, kann über die Öffnun- gen 21 Fluid nachströmen. Die Ringströmung 19 legt sich dadurch nicht an den zylindrischen Mantel 8 des Ver- drängerkörpers 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 Ver- drängerkörpers 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 ge- führt.

Das umlaufende Wirbelgebiet 17 und das Wirbelgebiet 18 übernehmen für die jeweilige Fließrichtung eine stabili- sierende 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 Kanalab- schnitts 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 Ring- flächen gebunden sind. Dadurch kann das Schaltelement wesentlich kleiner dimensioniert werden. Die Strömungsver- luste fallen weitaus geringer aus.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung ist entweder eine oder sind beide Steuerleitungen 20,23 mit der Um- gebung verbunden. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß kühlere Umgebungsluft angesaugt wird und die äußeren Schaltelemente nicht den hohen Abgastemperaturen der Haupt- strömung unterliegen und kein zusätzliches Steuermedium be- nötigt wird.