DE102005030615A1

DE102005030615A1 - Zyklonartiges Rohrstück zur Scheidung von Staubpartikeln aus Abgasen insbesondere bei Dieselmotoren mit Hilfe des hydrodynamischen Paradoxons

Info

Publication number: DE102005030615A1
Application number: DE102005030615A
Authority: DE
Inventors: Rupert Soltenau
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2007-02-01

Abstract

Herkömmliche Zyklonfilter finden beim Reinigen von Abgasen keine Verwendung. Gängige chemische Rußpartikelfilter wirken sich aufgrund des Staudrucks negativ auf den Motor aus, belasten die Umwelt, sind aufwändig und kostspielig. Die "Auspuffschnecke" soll ein rückstauminimiertes Abscheideverfahren von Rußpartikeln aus Abluft auf rein physikalischer Grundlage bereitstellen. DOLLAR A Um die Staubpartikel von der Abluft zu trennen, wird der Ansaugeffekt genutzt, welcher sich aus dem hydrodynamischen Paradoxon ergibt. Dieses wird dadurch gewährleistet, dass man die Abluft in mehreren Rohrschleifen so um eine Longitudinalachse herumleitet, dass die Rußpartikel von der Zentrifugalkraft an deren Außenwand gedrängt werden. Hier befinden sich kleine Öffnungen, über welche ein Parallelluftstrom mit hoher Geschwindigkeit hinwegströmt und die Partikel also mit sich reißt. DOLLAR A Die Auspuffschnecke eignet sich als physikalische Alternative zur Abscheidung von Rußpartikeln aus Abgasen ebenso wie zur Ergänzung herkömmlicher chemischer Filtersysteme.

Description

Zyklonabscheider sind aus der Literatur und dem täglichen Gebrauch von Kraftfahrzeugen hinreichend bekannt. Sie dienen in erster Linie zur Reinigung des eingesaugten Luftstroms bei Verbrennungsmotoren. Der Nachteil dieser Art von Luftfilter mit einsetzbarem dünnporigen Filter war und blieb stets der nicht unerhebliche Strömungswiderstand, den sie aufwiesen und der sich in Form von Staudruck auf den Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine notwendig negativ auswirkte. Dem abzuhelfen wurde in den Patentschriften DE 3019174 A1 und DE 19953227 A1 eine Kombination aus Zyklonabscheider und elektrostatischem Abscheider vorgeschlagen. Der offensichtliche Nachteil dieser Verbesserung ist der hohe technische und finanzielle Aufwand; denn für einen solchen elektrostatischen Abscheider benötigt man neben der erweiterten Filtereinrichtung etwa 19000 Volt Spannung. Immerhin hatte man mit Hilfe dieser Kombination seine Effizienz gesteigert und den Strömungswiderstand des Filtersystems gemindert, und so schien man zufrieden, weil man die Hauptschuld für letzteres dem sich im Gebrauch langsam verstopfenden Filterpapier gegeben hatte. Tatsächlich stellt aber auch die Formgebung der Spirale ein größeres Problem dar, vor allem weil diese quasi auf eine Ebene zusammengedrängt in einer hohlen Scheibe ihren Platz finden muss, welche den Luftstrom in engen Kurven nach innen lenkt und somit die Nutzung des hydrodynamischen Paradoxons unmöglich macht. Mögen nun die hohen Temperaturen in der Abluft, welche das Filter zerstören, ebenso wie die oben beschriebenen Nachteile der Grund dafür sein, Tatsache ist, dass das Zyklonfilter für die Reinigung von Abgasen bei Verbrennungsmotoren in welcher Ausprägung auch immer bis zum heutigen Tage nicht zur Anwendung kam. Stattdessen hat man sich hierbei auf die Oxydierung der Kohlenstoffpartikel beschränkt und verschiedene chemische Systeme wie z.B. das CRT-System, das SCR-System und auch die Kombination aus beiden, das SCRT-System entwickelt. Nachteil dieser Verfahren ist vor allem wiederum der beträchtliche finanzielle und technische Aufwand, welcher sich aus den hohen Arbeitstemperaturen ergibt und welcher dementsprechend störanfällig ist. Außerdem belastet die fortwährende oder stoßweise Verbrennung der Rückstände im Filter unsere Umwelt und Gesundheit weiterhin mit Abgasen und zwar in unnötigem Maße, weshalb man den Stand der Entwicklung als noch nicht zufriedenstellend bezeichnen muss. Was nun die Nutzung des hydrodynamischen Paradoxons im Bereich der Partikeltrennung von Abgasen angeht, so ist uns davon nichts bekannt. Das aber ist das Ziel der vorliegenden Erfindung.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, erstens eine Vorrichtung vorzustellen, welche mithilft den Staudruck des Filtersystems auf die Verbrennungsmaschine zu minimieren, zweitens die bei herkömmlichen Filterverfahren (z.B. CRT-System) zusätzlich zu den Verbrennungsabgasen entstehenden umwelt- und gesundheitsbelastenden Gase sowie die beim SCR-System erforderliche Zusetzung von wässriger Harnstofflösung zu reduzieren und drittens mit der Bereitstellung eines leistungsfähigen Abscheideverfahrens allein auf physikalischer Grundlage die letztgenannten zumindest zu ergänzen.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass es auf einfachem und vor allem rein physikalischem Wege möglich wird, Rußpartikel aus dem Abgassystem von Dieselmotoren abzuscheiden und dabei ihren Wirkungsgrad praktisch vollständig zu erhalten. Die über eine erfindungsgemäß ausgestaltete „Auspuffschnecke" in ein paralleles Luftsystem abgesaugten Partikel können dort in völliger Unabhängigkeit und ohne jede hemmende Rücksichtnahme auf den Motor weitaus effizienter, kostengünstiger und umweltschonender mit herkömmlichen Mitteln gebunden werden, z.B. indem man sie in Flüssigkeiten einleitet. Sie entgehen somit ihrer Verbrennung und die Atemluft einer unnötigen zusätzlichen Belastung. Aber auch als reine Ergänzung zu den herkömmlichen chemischen Systemen findet die Erfindung ihre Anwendung, vor allem dann, wenn man etwa aus Kostengründen eine Ausführung wählt, welche vor allem die Trennung von grobkörnigen Partikeln aus dem Abgas ermöglicht. Dann nämlich reduziert sich die Aufgabe der chemischen Rußpartikelfilter auf die Verbrennung im Nanno-Bereich, was sich sowohl auf die technische Ausgestattung und damit auf die Kosten als auch auf die Umweltbelastung mit Abgasen aus der Rußverbrennung positiv auswirkt. Für das SCRT-System ergibt sich zudem eine signifikante Reduktion der benötigten Menge wässriger Harnstofflösung.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den übrigen Patentansprüchen gegeben. Die Weiterbildung nach diesen Patentansprüchen ermöglicht es, die Abluft aus dem Motor mit Hilfe des zyklonartige geformten Rohstücks in eine enge Kreisbewegung um die Longitudinalachse diese Rohrstücks herum zu führen, wo die schwereren Rußpartikel von der Zentrifugalkraft in den äußeren Bereich der Spule oder Spirale gedrängt werden und dort entlang des Rohrs im Luftstrom mitgeführt werden. Da sich nun in dem der Longitudinalachse abgewandten Bereich des Partikeltrennrohrs ggf. in voller Länge kleine Öffnungen befinden, über welche hinweg ein weiterer Luftstrom mit v-Luft >> v-Abluft (v = Geschwindigkeit) geführt wird, sind die Voraussetzungen für den Effekt geschaffen, welcher das hydrodynamische Paradoxon auslöst. Streng nach der Bernoulli-Gleichung, wonach der Gesamtdruck gleich der Summe aus statischem Druck und Staudruck ist, entsteht ein Unterdruck im schnell strömenden Luftstrom, welcher zu einer Saugwirkung auf den oberen Bereich des langsameren Abluftstroms führt. In diesem aber befinden sich in konzentrierter Form die festen und schweren Bestandteile aus der Dieselverbrennung. Somit werden vor allem die Rußpartikel kontinuierlich aus dem Abgasstrom abgesaugt und gelangen in den Parallelluftstrom, wo sie ihrer endgültigen Absonderung zugeführt werden können. Dabei führt ein spiralförmig gewundenes Partikeltrennrohr vor allem an seinem sich verjüngenden Ende zu einer besonders konzentrierten Ansammlung der Partikel im dem der Longitudinalachse abgewandten Röhrenbereich, weshalb es angebracht erscheint, den Absaugeffekt des hydrodynamischen Paradoxons besonders oder auch allein in diesem Bereich zu nutzen und also erst hier die Öffnungen für den Übertritt der Rußpartikel in das parallele Luftsystem anzubringen. Bei einer spiralförmigen Ausgestaltung des Partikeltrennrohrs ist eher eine kontinuierliche statt einer bereichsgebundenen Absaugung zu wählen. Um nun etwaige Reste von Rußpartikeln nicht ungehindert in die Umwelt gelangen zu lassen, kann es neben einer Koppelung mit kleineren chemischen Filtersystemen vorteilhaft sein, das Partikeltrennrohr am Ende seiner letzten Windung senkrecht zur Zentrifugalkraft aufzuteilen und seinen oberen, der Longitudinalachse abgewandten Bereich gesondert dem Parallelluftsystem zuzuführen oder aber in einer Röhrenschleife ggf. nach Durchlaufen eines herkömmlichen Filters wieder dem Anfang der Abgasschnecke zuzuführen. Dies bedeutet jedoch eine gewisse Erhöhung des Staudrucks für den Motor, wenn auch in einem weitaus geringeren Maße, als wenn die gesamte Abluft direkt in einen herkömmlichen Filter geleitet würde. Als weitere Alternative zur gezielten Abscheidung von Rußpartikeln bestimmter Größe erweist sich die Aufteilung des gesamten Abgasstroms in viele kleine Ströme, welche sämtlich gesondert in eine entsprechende Anzahl kleiner Partikeltrennrohre geleitet werden. Was nun die Führung des Parallelluftstroms angeht, welcher den gewünschten Effekt des hydrodynamischen Paradoxons auslösen soll, so bestehen mehrere Alternativen. Zum einen kann sich das gesamte luftdicht ausgekleidete Partikeltrennrohr je nachdem in einem Zylinder oder einem Kegel befinden, durch welchen der Parallelluftstrom eng über die Öffnungen im Partikeltrennrohr hinwegströmt. Diese können u.U. schräg gebohrt sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine ausreichende Anzahl von Parallelluftröhren parallel zur Longitudinalachse über die Windungen des Partikeltrennrohrs zu führen oder aber, falls sich der Winkel zwischen dem Luftstrom im Partikeltrennrohr und demjenigen im Parallelluftrohr bezogen auf den Unterschied der Strömgeschwindigkeiten als zu groß für den Effekt des hydrodynamischen Paradoxons erweist, diese durch eine geeignete Anordnung des Parallelrohrsystems in etwa oder völlig gleichgerichtet aufeinander treffen zu lassen. In diesem Sinne wirkt sich auch der Vorschlag aus, das Partikeltrennrohr selbst in seinem Inneren durch eine geeignet geformte Trennwand, etwa in leichter U-Form, senkrecht zur Zentrifugalkraft in zwei parallellaufende Röhren aufzuteilen, wobei in dem der Longitudinalachse abgewandten Rohr der schneller strömende Parallelluftstrom strömt. Um hier die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen, verengt sich das Parallelluftrohr ggf. in den Bereichen, in welchen sich die Öffnungen für den Übertritt der Rußpartikel befinden. Den gleichen Effekt erzielt man, wenn dem Partikeltrennrohr ein weiteres Voll- bzw. Halbrohr luftdicht aufgesetzt ist, welches alle Windungen in unmittelbarem Kontakt mitvollzieht und welches mit dem Partikeltrennrohr über eine geeignete Anzahl von Öffnungen geeigneter Anordnung und Ausformung mit diesem verbunden ist. Natürlich kann die „Auspuffschnecke" auch ohne den Effekt genutzt werden, welche das hydrodynamische Paradoxon erzeugt, und also lediglich die durch die Zentrifugalkraft in den Außenbereich gedrängten Rußpartikel durch eine Zweiteilung des Rohrstücks abscheiden. Dies reduziert allerdings die erwünschte Minimierung des Staudrucks für den Motor.

Zeichnungen:
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
1 das zyklonartige Rohrstück (1) in Form einer Spirale (12) mit drei Windungen (2), welche mittels einer u-förmigen Trennwand (9) über seine gesamte Länge zweigeteilt ist, so dass der Parallelluftstrom (15) innerhalb des Rohrstücks (1) mit hoher Geschwindigkeit über die in dieser Trennwand (9) befindlichen Öffnungen (3) hinwegströmen kann. Das so integrierte Parallelluftröhrensystem (4) erlaubt demnach die über die Öffnungen (3) angesaugten Rußpartikel nach belieben ihrer endgültigen Entsorgung zuzuführen.
2 das zyklonartige Rohrstück (1) in Form einer Spule (10) mit drei Windungen (2), welche in einen Zylinder (11) gebettet ist. Die Zwischenräume (13), d.h. die Front- und Rückpartie als auch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Windungen (2) sind luftdicht verkleidet dergestalt, dass der Luftstrom (15) im Zwischenraum zwischen der verkleideten Spule (10) und dem Zylinder (11) über die Öffnungen (3) im Rohrstück (1) hinweggleiten kann, welche in passenden Abständen über seine gesamte Länge vorhanden sind. Als weitere Abscheidungsmaßnahme für die sich im Abgas befindlichen Rußpartikel ist am Ende der letzten Windung (2) eine Zweiteilung (5) des Rohrstücks (1) an dessen äußeren Teil (6), d.h. senkrecht zur Zentrifugalkraft angebracht, von wo aus die etwa übrig gebliebenen Rußpartikel in einer Rohrschleife (7) ggf. durch ein Filter zurück zum Anfang (8) des Rohstücks geleitet werden.
3 das zyklonartige Rohrstück (1) in Form einer Spirale (12) mit drei Windungen (2), um welche herum in Richtung der Longitudinalachse sechs Außenröhren (14) gelegt sind, die über jeweils eine Öffnung (3) mit dem Rohrstück (1) luftdicht verbunden sind. Da die immer enger werdenden Windungen (2) zu einer gesteigerten Zentrifugalkraft im hinteren Bereich der Spule führen und also die Rußpartikel hier besonders konzentriert an die Außenwand des Rohrstücks (1) gedrängt werden, sind die Öffnungen (3) auch in diesem Bereich angebracht. Dabei wird die Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms (15) in dem Parallelluftröhrensystem (4) über den Öffnungen (3) entsprechend gesteigert, indem sich die Außenröhren (14) über letzteren verengen.

Claims

zyklonartiges Rohrstück (1) zur Scheidung von Staubpartikeln aus Abgasen insbesondere bei Dieselmotoren mit Hilfe des hydrodynamischen Paradoxons dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück (1) spiral- bzw. und spulförmig mit einer ausreichenden Anzahl von Windungen (2) geeigneter Größe und bei geeigneter Streckung entlang einer Longitudinalachse gewunden ist, sich auf seiner der Longitudinalachse abgewandten Seite entweder über seine ganze Länge oder an geeigneten Abschnitten kleine Öffnungen (3) in hinreichender Anzahl sowie geeigneter Ausformung und Anordnung befinden und dass ein Parallelluftröhrenystem (4) mit dem Rohrstück (1) über diese Öffnungen (3) verbunden ist.
zyklonartiges Rohrstück zur Scheidung von Staubpartikeln aus Abgasen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück (1) mindestens unmittelbar am Ende der letzten Windung eine Zweiteilung (5) senkrecht zur Zentrifugalkraft erfährt.
zyklonartiges Rohrstück zur Scheidung von Staubpartikeln aus Abgasen nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Teil (6) des zweigeteilten Rohrstücks (1) in einer Rohrschleife (7) wieder zu seinem Beginn (8) zurückgeführt wird.
zyklonartiges Rohrstück zur Scheidung von Staubpartikeln aus Abgasen nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass dem Rohrstück (1) bezogen auf die Longitudinalachse von außen her eine zweite ggf. an den Öffnungen (3) sich verengende Röhre bzw. Halbröhre luftdicht dermaßen aufgesetzt ist, dass sie die Windungen in unmittelbarem Kontakt zu ihr mitvollzieht und dass dabei eine hinreichende Anzahl kleiner Öffnungen (3) geeigneter Ausformung und Anordnung zwischen diesen beiden Röhren vorhanden ist.
zyklonartiges Rohrstück zur Scheidung von Staubpartikeln aus Abgasen nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück (1) in seiner ganzen Länge innen über eine geeignet geformte Trennwand (9) dermaßen zweigeteilt ist, dass derjenige Teil, welcher der Longitudinalachse abgewandt ist, stets über dem der Longitudinalachse zugewandten Teil des Rohrstücks (1) liegt und dass sich in dieser Trennwand (9) und ihr entlang oder aber in geeigneten Bereichen eine hinreichende Anzahl kleiner Öffnungen (3) geeigneter Ausformung und Anordnung befindet.
zyklonartiges Rohrstück zur Scheidung von Staubpartikeln aus Abgasen nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spule (10) in einem nicht anliegenden Zylinder (11) bzw. die Spirale (12) in einem nicht anliegendem Kegel befindet, dessen vorderes und hinteres Ende eine Öffnung aufweist.
zyklonartiges Rohrstück zur Scheidung von Staubpartikel aus Abgasen nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Front (13)- als auch die Rückseite (13) der Spule (10) bzw. der Spirale (12) luftdicht abgedeckt sind ebenso wie die Zwischenräume (13), welche sich bei den Windungen des Partikeltrennrohrs ergeben und dass sich ggf. die Bereiche verengen, welche über den Öffnungen (3) liegen.
zyklonartiges Rohrstück zur Scheidung von Staubpartikeln aus Abgasen nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Longitudinalachse oder schräg zu ihr auf der Spule (10) bzw. der Spirale (12) mindestens eine Außenröhre (14) angebracht ist, welche luftdicht mit dieser verbunden ist und sich hier ggf. verengt und zwischen welchen sich an den Kontaktpunkten mindestens eine kleine, die beiden Röhren verbindende Öffnung (3) geeigneter Größe, Anordnung und Ausformung befindet.
zyklonartiges Rohrstück zur Scheidung von Staubpartikeln aus Abgasen nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass auf der Spule (10) bzw. der Spirale (12) mindestens eine geeignet geformte ggf. im Kontaktbereich sich verengende Außenröhre (14) dermaßen angebracht ist, dass sie auf jeder Windung (2) mit der Spule (10) bzw. Spirale (12) so in Kontakt ist, dass die in ihnen sich bewegenden Luftströme (15) gleichgerichtet strömen, und dass die beiden Röhren über ihre jeweilige Kontaktstelle mit mindestens einer kleinen Öffnung (3) geeigneter Größe, Ausformung und Anordnung luftdicht verbunden sind.
zyklonartiges Rohrstück zur Scheidung von Staubpartikeln aus Abgasen nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück (1) in eine geeignete Anzahl kleinere Partikeltrennröhren aufgeteilt ist, die alle jeweils für sich eine Ausgestaltung gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9 erfahren.