DE10051307B4

DE10051307B4 - Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit-Festkörperpartikeln aus einem in einer Leitung strömenden Gas-Flüssigkeit-Festkörperpartikelgemisch und Verfahren zur Trennung derselben

Info

Publication number: DE10051307B4
Application number: DE10051307A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lenzing
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2020-10-18
Also published as: WO2002032546A1; DE10051307A1; US20030075046A1; CN1394148A; BR0107314A; CN1238089C; KR20020062755A; EP1235627A1; MXPA02006009A; AU2049602A; US6797040B2; JP2004511336A; PL354706A1; RU2002119205A

Abstract

Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit-Festkörperpartikeln aus einem in einer Leitung strömenden Medium, einem Gas-Flüssigkeit-Festkörperpartikelgemisch, wobei in der Leitung (13) ein Umlenkelement (42) angeordnet ist, das das strömende Medium umlenkt, und das eine Trennung von Gas und Flüssigkeit- und Festkörperpartikeln des strömenden Mediums bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (13) in einen Kanal (3) mündet, in dem ein Messmedium strömt, insbesondere eine Verbrennungsluft für eine Brennkraftmaschine, und dass in dem Kanal (3) zumindest ein Messelement (9) zur Bestimmung zumindest eines Parameters, insbesondere eines Volumenstroms, des strömenden Messmediums angeordnet ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit-Festkörperpartikeln aus einem in einer Leitung strömenden Gas-Flüssigkeit-Festkörperpartikelgemisch bzw. Verfahren zur Trennung derselben nach den Oberbegriffen der Anspruche 1 bzw. 12.
Aus der US 5 507 858 A ist eine Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit aus einem in einer Leitung strömenden Gas-Flüssigkeitsgemisch bzw. Verfahren zur Trennung derselben bekannt.
Die Vorrichtung hat jedoch notwendigerweise zwei Ausgangsöffnungen.
In der allgemeinen Verfahrenstechnik wie auch im Fahrzeugbau, z. B. Regenwasser im Ansaugstutzen des Luftfiltergehäuses, und anderen technischen Anwendungsgebieten tritt häufig das Problem auf, dass Flüssigkeiten mit Gasen bzw. Dämpfen vermischt sind und voneinander getrennt werden müssen. Die Probleme, die Flüssigkeiten verursachen, sind je nach Anwendungsfall Korrosionen, Funktionsstörungen und ggf. die Zerstörung von Einrichtungen.
Während des Betriebs einer Messvorrichtung mit einem Messelement zur Bestimmung von Parametern eines in einem Kanal, bspw. einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, strömenden zu messenden Mediums, ein Messmedium, kann es passieren, dass entgegen der Hauptströmungsrichtung des Messmediums, z. B. Luft, Öltröpfchen oder Öldampf aus einer Leitung, wie z. B. einer Kurbelgehäuseentlüftungsleitung, oder andere Fremdpartikel in den Kanal strömen und das Messelement durch das Öl oder die Fremdpartikel kontaminiert wird. Dadurch werden die Messeigenschaften des Messelements deutlich verschlechtert. Gründe für die Rückströmung sind z. B. pulsierende Strömungen oder eine Druckentspannung eines Kürbelgehäuses in der Abstellphase einer Brennkraftmaschine. Aus dem Kurbelgehäuse wird Öldampf bzw. -nebel über die Kurbelgehäuseentlüftungsleitung in den Ansaugtrakt eingebracht. Ansonsten verhindert die Luft, die im Ansaugtrakt zur Brennkraftmaschine strömt, dass Ölpartikel oder Fremdpartikel zum Messelement gelangen können.
Aus der DE 43 31 684 A1 ist eine Vorrichtung zur Phasentrennung einer Gas-/Flüssigkeitsströmung bekannt, bei der in der Leitung ein Umlenkelement angeordnet ist, das das strömende Medium umlenkt und das eine Trennung von Gas- und Flüssigkeitspartikeln bewirkt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. hat demgegenüber die Aufgabe, das Messelement vor Kontaminationen zu schützen, auch wenn aus der Leitung unerwünschte Verschmutzungen in den Kanal strömen. Auf einfache Art und Weise können Flüssigkeit und/oder Festkörperpartikel aus dem strömenden Gas-Flüssigkeit-Festkörperpartikelgemisch getrennt werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 genannten Vorrichtung bzw. des im Anspruch 12 genannten Verfahrens möglich.
Es ist vorteilhaft, wenn das Ventil ein Federventil ist, da dies ein sehr einfaches und kostengünstiges Ventil darstellt.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Ventil im Bereich einer Einleitungsöffnung der Leitung in den Kanal angeordnet ist, weil dadurch das Ventil mit seinem Trennbereich an der Leitung angeordnet werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich das Ventil nur öffnet, wenn das Druckverhältnis bzw. die Druckdifferenz zwischen einem Vorderbereich und einem Hinterbereich der Leitung entsprechend gross ist, weil dadurch verhindert wird, dass sich Kontaminationen im Hinterbereich der Leitung ausbreiten können.
Es ist vorteilhaft, die Leitung so auszugestalten, dass das strömende Medium in der Leitung zumindest zweimal um etwa 180° umgelenkt wird, weil sich dadurch Separationswirbel bilden, wodurch die Kontaminationen, insbesondere Öl oder Flüssigkeiten, auf einer Innenwand der Leitung einen Wandfilm bilden oder grosse Tropfen bilden und nicht so leicht zusammen mit dem strömenden Medium hinter einem Umlenkelement weiterströmen.
Festkörperpartikel lagern sich auch an der Innenwand ab und bilden mit der Flüssigkeit in dem Wandfilm ein Gemenge, wodurch die Festkörperpartikel mit der Flüssigkeit aus dem strömenden Medium getrennt sind.
Die Umlenkung des strömenden Mediums kann auf vorteilhafte Weise dadurch erfolgen, dass das Umlenkelement eine Tellerform hat und einen Ring, der einen kleineren Querschnitt als die Leitung im Bereich des Umlenkelements hat, im Querschnitt überragt.
Das Umlenkelement kann vorteilhafterweise eine Ventilplatte eines Ventils sein.
Es ist vorteilhaft, die Leitung im Bereich seiner Eingangsöffnung in den Kanal wie eine Laval-Düse auszubilden, da dies dort die Strömung im Kanal beschleunigt und Fremdpartikel von dem Messelement verstärkt fortgeführt werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, die Leitung im Bereich seiner Eingangsöffnung schräg zum Kanal anzuordnen, weil dadurch das Medium aus dem Kanal gezielt von dem Messelement weggeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
1 eine erfindungsgemässe Vorrichtung,
2 eine erfindungsgemässe Vorrichtung mit einem Kanal, in dem ein Messelement angeordnet ist.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Trennung von Gas und Flüssigkeit-Festkörperpartikeln aus einem in einer Leitung 13 strömenden Medium, einem Gas-Flüssigkeit-Festkörperpartikelgemisch. Das Medium strömt in der Leitung 13 in Richtung einer Leitungströmungsrichtung 25.
In der Leitung 13 können unerwünschte Bestandteile bspw. Öldämpfe oder Ölteilchen aus einem Kurbelgehäuse strömen.
In vielen Fällen will man Flüssigkeit und Festkörperpartikel von dem Gas trennen, damit die Flüssigkeit und/oder die Festkörperpartikel nicht zu in der Leitung vorhandenen Einrichtungen gelangen.
Um dies zu erreichen, ist in der Leitung 13 ein Umlenkelement 42 angeordnet. Dabei wird das strömende Medium in der Leitung 13 beispielsweise zumindest zweimal um etwa 180° umgelenkt. Dadurch entstehen Separationswirbel 19, die bewirken, dass die Ölteilchen 53 oder der Öldampf in dem strömenden Medium auf eine Innenwand 21 der Leitung 13 gelangen und dort einen Wandfilm 51 bilden.
Man kann sozusagen von einem Zentrifugieren des Öl-Gasgemischs sprechen.
Eventuell vorhandene Festkörperpartikel wie z. B. Staubteilchen werden auch auf diese Weise aus der Strömung in der Leitung 13 herausgefiltert. Sie verbinden sich mit der Flüssigkeit 53 und/oder dem Wandfilm 51.
Der Wandfilm 51 bewegt sich auf der Innenwand 21 weiter in Leitungströmungsrichtung 25 fort und das Gas im Leitungsquerschnitt. Dadurch, dass sich ein Wandfilm 51 auf einer Innenwand 21 der Leitung 13 bildet, sind in dem strömenden Medium der Leitung 13 strömungsabwärts des Umlenkelements 42 keine oder weniger Ölpartikel enthalten. In der Leitung 13 weiter strömungsabwärts vorhandene Einrichtungen werden nur noch in geringem Masse oder gar nicht mehr mit Flüssigkeiten oder Festkörperpartikeln beaufschlagt.
Das Umlenkelement 42 hat bspw. eine Tellerform und ist in einem Trennbereich 30 angeordnet. Ein Tellerrand 58 ist dem strömenden Medium entgegengerichtet.
In dem Trennbereich 30 ist bspw. ein Ring 33 angeordnet, der beispielsweise etwas geneigt zur Mitte des Kanals 13 ausgebildet ist und einen kleineren Querschnitt oder Durchmesser dx als die Leitung 13 im Trennbereich 30 aufweist. Das Umlenkelement 42 überragt den Ring 33, d. h. wenn das Umlenkelement 42 auf den Ring 33 in Leitungströmungsrichtung 25 geradlinig in Richtung Ring 33 verschoben würde, würde das Umlenkelement 42 auf dem Ring 33 aufliegen und die Leitung 13 wäre verschlossen.
Die Linien 35 zeigen einen beispielhaften Strömungsverlauf eines strömenden Mediums in der Leitung 13 mit den sich bildenden Separationswirbeln 19.
In Leitungströmungsrichtung 25 gesehen, durchströmt das Medium zuerst den Ring 33 und trifft dann bspw. frontal auf das Umlenkelement 42, wodurch es ungefähr um 180° umgelenkt wird. Das Medium strömt dann in einen Bereich zwischen dem Ring 33 und einem Gehäuse 37 des Trennbereichs 30. Dort wird das strömende Medium wieder um etwa 180° umgelenkt und strömt in Leitungströmungsrichtung 25 weiter.
Man kann sich auch eine Anordnung, bspw. eine Spirale, vorstellen, bei der das strömende Mediums mehrmals um 180° umgelenkt wird.
Das Umlenkelement 42 kann auch eine Ventilplatte 42 eines Ventils 17 (2) bilden, das bspw. ein Federventil ist, das mit seiner Federkraft durch eine Zugfeder 23 dem Druck in der Leitung 13 entgegenwirkt. Das Ventil 17 mit seinem Stössel 28, an dem die Ventilplatte 42 angeordnet ist, wird bspw. durch eine Halterung 40, bspw. ein Rohr, in der Leitung 13 geführt.
In Leitungsströmungsrichtung 25 gesehen vor dem Ventil 17 in der Leitung 13 gibt es einen Vorderbereich 46 und in Leitungsströmungsrichtung 25 gesehen hinter dem Ventil 17 in der Leitung 13 gibt es einen Hinterbereich 48.
Das Ventil 17 öffnet sich nur, wenn das Druckverhältnis bzw. die Druckdifferenz zwischen dem Vorderbereich 46 und dem Hinterbereich 48 entsprechend gross ist. So wird die Bildung von Separationswirbeln 19 verstärkt, wenn das Medium unter Druck ausströmt.
2 zeigt, wie die Leitung 13 in einen Kanal 3 einmündet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist in dem Kanal 3 ein Messelement 9 in einem Messkörper 11, der sich zum Teil in den Kanal 3 erstreckt, angeordnet. Das Messelement 9 bestimmt beispielsweise den Volumenstrom eines strömenden weiteren Mediums, einem Messmedium, in der Leitung 3. Bei dem Kanal 3 handelt es sich bspw. uQm den Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine und bei dem Messmedium um Luft.
Weitere Parameter, die gemessen werden können, sind beispielsweise der Druck, die Temperatur, eine Konzentration eines Mediumbestandteils und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit, die mittels geeigneter Sensoren bestimmt werden. Es können ein oder mehrere Messelemente 9 vorhanden sein.
In dem Kanal 3 gibt es eine Hauptströmungsrichtung 6. Strömungsabwärts des Messelements 9 mündet die Leitung 13 in den Kanal 3, d. h. die Leitung 13 hat eine Einleitungsöffnung 15, die die Verbindung der Leitung 13 zum Kanal 3 herstellt. Die Leitung 13 ist beispielsweise eine Entlüftungsleitung für ein Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine.
Unter bestimmten Umständen können entgegen der Hauptströmungsrichtung 6 Kontaminationen auf das Messelement 9 gelangen und die Messeigenschaften des Messelements 9 in unerwünschter Weise dauerhaft beeinflussen. Insbesondere bei Pulsationen, d. h. Rückströmungen während des Betriebs der Brennkraftmaschine, oder nach Ausschalten der Brennkraftmaschine, wenn in dem Kanal 3 kein Medium mehr strömt und Öldampf aus der Leitung 13, die mit dem noch heissen Kurbelgehäuse verbunden ist, entweicht, können Kontaminationen aus der Leitung 13 auf das Messelement 9 gelangen.
Das Ventil 17 kann auch im Bereich der Einleitungsöffnung 15 angeordnet sein.
Wenn bspw. die Brennkraftmaschine abgeschaltet ist und kein Unterdruck in dem Kanal 3 vorhanden ist, schliesst das Ventil 17 die Leitung 13 und Öl oder Fremdpartikel aus dem Kurbelgehäuse können nicht mehr in den Kanal 3 gelangen.
Erst wenn der Druck in der Leitung 13 deutlich grösser ist als der Druck in dem Kanal 3, öffnet sich das Ventil 17. Dabei bilden sich wieder die Separationswirbel 19.
Während des Betriebs der Brennkraftmaschine herrscht in dem Kanal 3 ein Unterdruck, wenn Luft für die Brennkraftmaschine angesaugt wird, wodurch eine Öffnung des Ventils 17 erleichtert wird. Öldämpfe und Fremdpartikel aus der Leitung 13 werden durch die Strömung in dem Kanal 3 in Hauptströmungsrichtung 6 weg von dem Messelement 9 mitgerissen und gelangen kaum oder gar nicht in Richtung des Messelements 9.
Die Leitung 13 kann im Bereich seiner Eingangsöffnung 15 bspw. wie eine Laval-Düse ausgebildet sein, da dies die Strömung in der Leitung 13 beschleunigt und Fremdpartikel von dem Messelement 9 verstärkt wegbefördert werden.
Ebenso kann die Leitung 13 im Bereich seiner Eingangsöffnung 15 schräg zum Kanal 3 angeordnet sein, weil dadurch das Medium aus der Leitung 13 gezielt von dem Messelement 9 weggeführt wird. Schräg angeordnet bedeutet, dass eine Vektorkomponente der Leitungströmungsrichtung 25 ungefähr parallel zur Hauptströmungsrichtung 6 in dem Kanal 3 verläuft.

Claims

Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit-Festkörperpartikeln aus einem in einer Leitung strömenden Medium, einem Gas-Flüssigkeit-Festkörperpartikelgemisch, wobei in der Leitung (13) ein Umlenkelement (42) angeordnet ist, das das strömende Medium umlenkt, und das eine Trennung von Gas und Flüssigkeit- und Festkörperpartikeln des strömenden Mediums bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (13) in einen Kanal (3) mündet, in dem ein Messmedium strömt, insbesondere eine Verbrennungsluft für eine Brennkraftmaschine, und dass in dem Kanal (3) zumindest ein Messelement (9) zur Bestimmung zumindest eines Parameters, insbesondere eines Volumenstroms, des strömenden Messmediums angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (13) und das Umlenkelement (42) so ausgestaltet sind, dass ein strömendes Medium in der Leitung (13) zumindest zweimal um etwa 180° umgelenkt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkelement (42) eine Tellerform hat, wobei ein Tellerrand (58) dem strömenden Medium entgegengerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (13) einen Trennbereich (30) hat, in dem das Umlenkelement (42) angeordnet ist, und dass im Trennbereich (30) ein Ring (33) angeordnet ist, der einen kleineren Querschnitt hat als die Leitung (13) im Trennbereich (30), und dass das Umlenkelement (42) den Ring (33) im Querschnitt senkrecht zur Leitungströmungsrichtung (25) überragt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (13) ein Ventil (17) angeordnet ist, und dass das Umlenkelement (42) eine Ventilplatte (42) des Ventils (17) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es in Leitungsströmungsrichtung (25) gesehen vor dem Ventil (17) in der Leitung (13) einen Vorderbereich (46) gibt, dass es in Leitungsströmungsrichtung (25) gesehen hinter dem Ventil (17) in der Leitung (13) einen Hinterbereich (48) gibt, und dass das Ventil (17) sich öffnet, wenn das Druckverhältnis bzw. die Druckdifferenz zwischen dem Vorderbereich (46) und dem Hinterbereich (48) entsprechend groß ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (13) eine Kurbelgehäuseentlüftungsleitung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (13) eine Einleitungsöffnung (15) in den Kanal (3) hat, und dass die Leitung (13) im Bereich der Einleitungsöffnung (15) wie eine Laval-Düse (56) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (17) ein Federventil ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (17) im Bereich der Einleitungsöffnung (15) der Leitung (13) in den Kanal (3) vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (13) im Bereich der Einleitungsöffnung (15) schräg angeordnet ist, so dass eine Vektorkomponente einer Leitungströmungsrichtung (25) ungefär parallel zur Hauptströmungsrichtung (6) in dem Kanal (3) verläuft.
Verfahren zur Trennung von Gas und Flüssigkeit-Festkörperpartikel eines in einer Leitung strömenden Mediums, einem Gas-Flüssigkeit-Festkörperpartikelgemisch, wobei in der Leitung ein Umlenkelement angeordnet ist, das das Medium umlenkt und das die Trennung von Gas und Flüssigkeit-Festkörperpartikel bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch die Umlenkung des strömenden Mediums durch das Umlenkelement (42) Separationswirbel (19) bilden, so dass dadurch die Flüssigkeit-Festkörperpartikel eine Zentrifugalkraft erfahren und so an eine Innenwand (21) der Leitung (13) gelenkt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit des Mediums in Leitungströmungsrichtung (25) gesehen hinter dem Umlenkelement (42) zumindest teilweise einen Wandfilm (51) auf der Innenwand (21) der Leitung (13) bildet.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das strömende Medium in der Leitung (13) zumindest zweimal um etwa 180° umgelenkt wird.