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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsabscheider zur Abscheidung
von Flüssigkeiten
aus Gasen, beispielsweise zur Abscheidung von Wasser aus Abgasen
einer Brennstoffzelle oder von Öl
aus den Kurbelgehäusegasen
(Blow-by-Gase, Durchblasegase) von Verbrennungsmotoren.
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Aus
dem Stand der Technik sind zur Abscheidung von Flüssigkeiten
aus Gasen beispielsweise Zyklone oder Röhrenabscheider bekannt, bei denen
die durchströmende
Luft in eine rotatorische Bewegung versetzt wird und so zu einer
Abscheidung der Partikel aufgrund zentrifugaler Kräfte führt. Derartige
Röhrenabscheider
werden beispielsweise in Zylinderkopfhauben eingebaut, um die Blow-by-Gase
aus dem Kurbelgehäuse
eines Verbrennungsmotors dort von Öl und Ölnebel zu reinigen. Die Druckseite
des Röhrenabscheiders
wird dabei mit dem Kurbelgehäuse
verbunden, während
die Saugseite die von dem Öl
bzw. Ölnebel
gereinigten Gase zum Ansaugtrakt des Motors führt. Das abgeschiedene Öl wird gewöhnlich über einen
Siphon zurück
in das Nockenwellengehäuse
geführt.
Der Siphon hat dabei zwei Funktionen. Zum einen führt er zu
einer Drainage des Öls
aus der saugseitigen Kammer des Ölabscheiders
in das Nockenwellengehäuse,
das zur Druckseite gehört,
und zum anderen führt er
zu einer Sperrung, so dass ein Druckunterschied zwischen der Druckseite
des Ölabscheiders
und der Saugseite des Ölabscheiders
aufrechterhalten werden kann. Die Sperrwirkung verhindert weiterhin, dass
z.B. von der Nockenwelle schwallendes Öl in den Saugbereich gelangt.
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Ein
derartiger Siphon ist in 1 dargestellt, wobei
die Teilfiguren A und B zwei verschiedene Ausführungsformen darstellen. Ein
Siphon 1 weist demnach zwei Rohre 2 und 3 auf,
die an ihrem unteren Ende miteinander kommunizieren. Das Deckenrohr 2 ist
dabei mit seiner Oberseite mit dem zu drainierenden Raum, beim Ölabscheider
in einem Verbrennungsmotor mit der saugseitigen Kammer des Ölabscheiders
verbunden. Das mit dem Deckenrohr 2 kommunizierende Auslaufrohr 3 ist
oben offen und bildet eine Überlauföffnung in
das Nockenwellengehäuse.
Zwischen dem Einlauf 4 des Deckenrohres 2 und
dem Auslauf 12 mit der Auslaufkante 7 des Auslaufrohres 3 besteht
ein Höhenunterschied
h2, der dem maximalen Druckunterschied zwischen
der Einlaufseite und der Auslaufseite eines sperrenden Siphons entspricht.
Dieser maximale sperrende Differenzdruck bei weiterhin bestehender
Drainage beträgt Δp = h2·ρ, wobei ρ die Dichte
der in dem Siphon befindlichen Flüssigkeit ist (z.B. 0,9 für Mineralöl bei Raumtemperatur
oder 1,0 für
Wasser bei Raumtemperatur).
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Findet
keine Drainage statt und gelangt kein Wurföl aus dem Nockenwellengehäuse in den
Siphon, d.h. befindet sich in dem Volumen V1 des
Auslaufrohrs, das sich oberhalb der Kante 6 zwischen dem
Deckenrohr 2 und dem Auslaufrohr 3 befindet, keine
Flüssigkeit,
so ist der maximale Sperrdruckunterschied ohne Drainage Δp = h·ρ = (h1 + h2)·ρ. Dabei ist
h die Länge
des Deckenrohres zwischen seiner Oberkante 5 und der Unterkante 6 und
h1 die Länge des
Auslaufrohres 3 zwischen der Unterkante 6 und seiner
Oberkante 7.
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1 stellt nun zwei verschiedene Siphontypen
dar, wobei in 1A das Deckenrohr 2 und
das Auslaufrohr 3 eine gemeinsame Wand aufweisen, deren
unteres Ende die Kante 6 bildet.
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In 1B befindet
sich der Einlauf 4 seitlich in das Deckenrohr 2,
während
das Auslaufrohr 3 innerhalb des Deckenrohres 2 angeordnet
ist. Der Auslauf 12 befindet sich hier mittig. Bei dieser
Ausführungsform
haben sowohl das Deckenrohr 2 als auch das Auslaufrohr 3 einen
ringförmigen
Querschnitt.
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Fließt nun im
Drainagefall über
den Einlauf 4 in das Deckenrohr 2 eine abgeschiedene
Flüssigkeit, so
tritt sie unterhalb der Kante 6 in das Auslaufrohr 3 über. Bei
ausreichendem Zufluss von Flüssigkeit steigt
der Flüssigkeitspegel
in dem Volumen V1 im Auslaufrohr 3,
bis die Flüssigkeit über die
Auslaufkante 7 überläuft.
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Bei Ölabscheidern
für Blow-by-Gase
existiert ein Differenzdruck zwischen Einlauf 4 und Auslauf 12,
der dem Druckabfall über
den hier nicht dargestellten Ölabscheider
entspricht. Nimmt der Druckabfall und damit der Differenzdruck zwischen
dem Auslauf 12 und dem Einlauf 4 zu, so wird Flüssigkeit
in das Deckenrohr angesaugt, bis die Höhendifferenz zwischen dem Flüssigkeitsspiegel
im Deckenrohr 2 und dem Flüssigkeitsspiegel im Auslaufrohr 3 der Druckdifferenz
entspricht. Wird der Unterdruck auf der Einlaufseite 4 weiter
verstärkt,
so kann es dazu kommen, dass die ganze im Volumen V1 befindliche Flüssigkeit
in das Deckenrohr 2 eingesaugt wird, so dass zuletzt Gase über das
Auslaufrohr 3 in das Deckenrohr 2 gesaugt werden.
In diesem Moment wird die sperrende Wirkung des Siphons aufgehoben
und Gase werden zum Einlauf 4 hin durch das Deckenrohr 2 gesaugt.
Diese reißen
weiterhin die im Deckenrohr 2 befindliche Flüssigkeit
mit sich. Damit ist keine Drainage von Flüssigkeit von dem Einlauf 4 zum
Auslauf 12 mehr gegeben.
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Derartige
Situationen können
auftreten, z.B. wenn durch unkontrolliertes oder übermäßiges Ansteigen
des Gasvolumenstroms der Widerstand im vorhandenen Ölabscheider
steigt und sich somit zwischen dem Ansaugtrakt (Einlauf 4)
und dem Kurbelgehäuse
(Auslauf 12) ein sehr hoher Differenzdruck bildet. In diesem
Fall wird das im Volumen V1 gesammelte Öl in die
Ventilhaube zurückgezogen
und der sich dadurch öffnende
Siphon kann anschließend von
mit Ölteilchen
beladenen Blow-by-Gasen durchströmt
werden. Das hochgesaugte Öl
wird dann in Richtung Ansaugtrakt ablaufen und kann zu Schädigungen
am Motor führen.
Dieses sog. Ölreißen wird von
den Motorenherstellern sehr gefürchtet.
Bei Einsatz eines Tanks mit Ventil, wie es im Stand der Technik üblich ist,
kann in diesem Betriebszustand auch das Kurbelgehäuse aufgeblasen
werden, was zu Undichtigkeiten an den entsprechenden Lagerdichtungen
führt.
Tanklösungen
werden daher mit einem Überdruckventil
am Ölabscheider
ausgestattet.
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Nachteilig
hieran ist jedoch, dass dieses Überdruckventil
als Bypass-Schaltung mechanische Elemente aufweist und seinerseits
verschmutzen kann. Dadurch kann es dauerhaft undicht werden bzw.
sich auch vollständig
zusetzen. Langfristig ist damit keine sichere Funktion dieser Bypass-Schaltungen
gewährleistet.
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Hier
setzt nun die vorliegende Erfindung ein, die es sich zur Aufgabe
macht, einen Flüssigkeitsabscheider
zur Verfügung
zu stellen, bei dem bei Erhöhung
des Differenzdruckes zwischen der Druckseite und der Saugseite eines
Flüssigkeitsabscheiders weiterhin
die Abführung
der abgeschiedenen Flüssigkeit
gewährleistet
werden kann. Dieser Flüssigkeitsabscheider
soll einfach ausgebildet sein und insbesondere bei geringen Kosten
eine sichere Methode zur Bypass-Schaltung um den Abscheider herum ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch den Flüssigkeitsabscheider
nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheiders werden
in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.
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Erfindungsgemäß werden
nun auf der Saugseite des Abscheideelementes in dem Flüssigkeitsabscheider
zwei Siphons vorgesehen, die einen unterschiedlichen Sperrdruck
aufweisen. Der erste Siphon weist dabei einen maximal Sperrdruck
auf, der mindestens der Druckdifferenz im Normalbetrieb des Flüssigkeitsabscheiders
entspricht. Der zweite Siphon weist einen höheren Sperrdruck auf. Übersteigt nun
die Druckdifferenz zwischen dem Einlauf und dem Auslauf des Siphons
den maximalen Sperrdruck des ersten Siphons, so entleert sich dieser
erste Siphon in Richtung des Unterdrucks, d.h. in Richtung der Saugseite,
und gibt eine gasdurchströmte Öffnung zwischen
seinem Auslass und seinem Einlass, beispielsweise zwischen Nockenwellengehäuse und Ansaugtrakt
eines Verbrennungsmotors frei. Dies kann beispielsweise dann auftreten,
wenn die Abscheideelemente in dem Flüssigkeitsabscheider vereisen
oder einem erhöhten
Volumenstrom unterliegen und deren Strömungswiderstand steigt. Solange diese überhöhte Druckdifferenz
dann anhält,
strömt ein
großer
Teil der Gase in zur Drainage umgekehrter Richtung durch den ersten
Siphon. Die aus diesem Gasstrom bzw. aus dem Gasstrom, der weiterhin
den Abscheider passiert, ggf. abgeschiedene Flüssigkeit kann dann jedoch über den
zweiten, etwas längeren Siphon
dennoch ablaufen, so dass eine Drainage der Saugseite des Flüssigkeitsabscheiders
weiterhin gegeben ist.
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Besonders
vorteilhaft kann in den ersten Siphon ein Abscheideelement eingebracht
werden, so dass die durch den ersten Siphon von dessen Auslaufseite
zu dessen Einlaufseite durchströmenden Gase
zumindest teilweise grob von der Flüssigkeit befreit werden. weiterhin
kann auch in der saugseitigen Kammer des Flüssigkeitsabscheiders mindestens
ein Abscheideelement angeordnet werden. Bei dem Abscheideelement
kann es sich beispielsweise um einen Prallabscheider handeln, über den
aus dem durch den ersten Siphon strömenden Gas Flüssigkeit bzw.
Flüssigkeitsnebel
abgeschieden wird. Diese abgeschiedene Flüssigkeit bzw. Flüssigkeitsnebel
kann dann durch den zweiten Siphon abgeführt werden.
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Der
zweite Siphon benötigt
weiterhin nur einen unwesentlich gegenüber dem ersten Siphon erhöhten Sperrdruck,
da im Falle des Durchreißens
des ersten Siphons sofort ein Absenken des Differenzdruckes zwischen
Ansaug- und Druckseite des Abscheiders auftritt und so die Drainage
und Sperrwirkung des zweiten Siphons auf alle Fälle gewährleistet bleibt.
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Vorteilhaft
an der vorliegenden Erfindung ist es, dass keinerlei mechanische
Teile benötigt
werden. Die Betriebssicherheit dieses Systems ist daher zu jedem
Zeitpunkt gegeben, insbesondere kann der zweite Siphon nicht verschmutzen
oder zusetzen. Damit ist auch eine langfristige Funktionssicherheit dieser
erfindungsgemäßen Bypass-Schaltung
gewährleistet.
Auch der zusätzliche
Materialaufwand für
den zweiten Siphon fällt
kaum ins Gewicht, so dass diese Lösung auch sehr kostengünstig ist.
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Im
folgenden wird ein Beispiel für
einen erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheider
beschrieben. Dabei wird dieses Beispiel anhand eines Ölabscheiders
für Blow-by-Gase
dargestellt. Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist jedoch
nicht auf diesen Anwendungszweck beschränkt.
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Zusätzlich zu 1, die die Auslegung von Siphons erläutert, zeigt 2 in
den Teilbildern A bis D einen erfindungsgemäßen Doppelsiphon eines Ölabscheiders
in verschiedenen Betriebszuständen. Dabei
werden in sämtlichen
Figuren für
gleiche oder ähnliche
Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet.
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2A zeigt nun einen Ölabscheider 1 zur Abscheidung
von Öl
bzw. Ölnebel
aus Blow-by-Gasen eines Verbrennungsmotors im Normalbetrieb. Dieser
Abscheider besitzt ein Gehäuse 14,
das von einer Druckseite 20 zu einer Saugseite 21 (Kammer 19)
und einem Auslass 22 von den Blow-by-Gasen durchströmt wird.
Dies bedeutet, dass die Druckseite 20 mit dem Kurbelgehäuse und
der Auslass 22 mit dem Ansaugtrakt des Motors verbunden
ist. In diesem Gehäuse
sind zwischen der Druckseite 20 und der Saugseite 21 zwei
Abscheideelemente 8a und 8b angeordnet, die von
den Blow-by-Gasen durchströmt werden.
Diese Abscheideelemente 8a und 8b bestehen im
vorliegenden Fall aus je zwei schneckenförmigen Elementen, die wendelförmige Gänge aufweisen und
sich jeweils über
eine halbe Ganghöhe
erstrecken. Derartige Abscheideelemente sind aus der DE 10 2004
011 176 und der DE 10 2004 037 157 bekannt, die hiermit bezüglich ihrer
diesbezüglichen
Offenbarung vollumfänglich
aufgenommen und referenziert werden. Jeweils zwei der schneckenförmigen Elemente
sind hintereinander als Abscheideelement 8a bzw. als dazu
benachbartes Abscheideelement 8b angeordnet. In dem Gehäuse 14 sind
weiterhin zwei Siphons angeordnet, deren Elemente jeweils mit dem
Zusatz a bzw. b versehen sind. Der erste Abscheider besitzt ein
Deckenrohr 2a, das in ein Auslaufrohr 3a eintaucht.
Das Deckenrohr 2a besitzt eine Unterkante 6a unterhalb
deren das Deckenrohr 2a mit dem Auslaufrohr 3a kommuniziert.
Das Auslaufrohr 3a besitzt seinerseits einen Auslauf 12a mit
einer Auslaufkante 7a, über
die das drainierte Öl
in das Nockenwellengehäuse überlaufen
kann. Der Auslauf 12a weist folglich denselben Druck auf
wie die Druckseite 20, während der Einlauf 4a des
ersten Siphons 2a den Druck der Saugseite 21 aufweist.
Der Differenzdruck, der sich zwischen dem Einlauf 4a und dem
Auslauf 12a des ersten Siphons ausbildet, entspricht also
dem Druckabfall über
die Abscheideelemente 8a und 8b, wenn weitere
druckmindernde Elemente zwischen dem Kurbelgehäuse und dem Ansaugtrakt in
idealisierter Darstellung vernachlässigt werden.
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Weiterhin
ist ein zweiter Siphon in dem Gehäuse 14 angeordnet,
der ebenfalls ein Deckenrohr 2b und ein Auslaufrohr 3b aufweist.
Die Ausbildung entspricht derjenigen des ersten Siphons, so dass
die zugehörigen
Elemente nicht weiter erläutert
werden. Entscheidender Unterschied zwischen dem zweiten Siphon und
dem ersten Siphon ist, dass das Deckenrohr 2b länger ist
als das Deckenrohr 2a. Der Sperrdruck des zweiten Siphons
ist daher größer als
der Sperrdruck des ersten Siphons, so dass selbst dann, wenn der
Druckunterschied zwischen dem Auslass 12a und dem Einlass 4a des
ersten Siphons so stark ansteigt, dass dieser von der Auslassseite
Gas ansaugt, dennoch der zweite Siphon weiterhin sperrt. Wichtig
ist natürlich
auch, dass das Volumen in dem Auslaufrohr 3b, das sich
zwischen der Unterkante 6b und der Auslaufkante 7b ergibt,
groß genug
ist, um bei Erhöhungen
des Druckunterschieds ausreichend Öl zur Verfügung zu stellen, das in das
Deckenrohr 2b gesaugt werden kann und somit die Sperrung
aufrechtzuerhalten.
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Weiterhin
ist in der saugseitigen Kammer ein Prallabscheider 9 angeordnet
und eine Wandfalle 9', die
zusätzlich
eine Abscheidung von Öl
aus durchströmenden
Gasen bewirken. In dem ersten Siphon ist im Deckenrohr 2a ein
schneckenförmiges
Abscheideelement angeordnet, das vergleichbar zu den Abscheideelementen 8a und 8b ausgebildet
sein kann.
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Die
Wandfalle 9' erstreckt
sich ihrerseits in einen Sammelraum 18, in dem das durch
den Prallabscheider 9 und die Wandfalle 9' abgeschiedene Öl laufen
kann, um dort gesammelt und in den zweiten Siphon überführt zu werden.
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2A zeigt nun den normalen Betriebszustand,
bei dem der Druckunterschied zwischen der Druckseite 20 und
der Saugseite 21 seinen Normwert für den normalen Betriebszustand
aufweist. Der erste Siphon sperrt und nimmt zugleich durch die Abscheideelemente 8a und 8b abgeschiedenes Öl 11a über den
Einlauf 4a auf zur Drainage. Der zweite Siphon ist in diesem
Betriebszustand ohne besondere Funktion, er sperrt jedoch ebenfalls
zwischen der Druckseite 20 und der Saugseite 21.
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In 2B ist der Grenzfall dargestellt, bei dem
der Druckunterschied zwischen dem Auslauf 12a und dem Einlauf 4a,
d.h. zwischen der Druckseite 20 und der Saugseite 21,
gerade so hoch ist, dass der Ölstand
in dem Deckenrohr 2a die Oberkante 5a des Einlaufs 4a erreicht
(Δp ≤ h2·ρ). In diesem
Falle ist gerade noch eine Drainage durch den ersten Siphon möglich, da
weiteres abgeschiedenes Öl 11a noch über die
Auslaufkante 7a drainiert werden kann. Der Ölstand in
dem Deckenrohr 2b hat sich gegenüber der 1A ebenfalls
erhöht.
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In 2C ist der Zustand dargestellt, bei dem
der Druckunterschied genau Δp ≤ h2·ρ beträgt. Hier
kann nun kein Öl
mehr drainiert werden, allerdings wird auch kein Öl in die
Kammer 19 gesaugt. Dies ist der Grenzzustand beim Übergang
von 2B zu 2D.
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In 2D ist die Drainage dargestellt, wenn der
Druckunterschied zwischen dem Auslauf 12a und dem Einlauf 4a so
groß geworden
ist, dass der Flüssigkeitsspiegel
in dem Auslaufrohr 3a bereits absinkt, ohne jedoch die
Kante 6a zu unterschreiten.
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In
diesem Falle wird das von den Abscheideelementen 8a und 8b sowie 9 und 9' abgeschiedene Öl 11b über den
zweiten Siphon abgeführt.
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In 2E ist der Extremfall dargestellt, dass bei spielsweise
die Abscheideelemente 8a und 8b vereisen und so
deren Strömungswiderstand
sehr stark ansteigt. In diesem Falle erhöht sich der Druckabfall über die
Abscheideelemente 8a und 8b derart, dass der Druckunterschied
zwischen der Druckseite 20 und der Saugseite 21 den
Sperrdruck des ersten Siphons überschreitet.
Das in dem ersten Siphon befindliche Öl 11a wird dann in
die Saugkammer 19 gesaugt, so dass nunmehr ein Gasweg von
der Druckseite 20 über
den Auslass 12a des Auslaufrohrs 3a, das Deckenrohr 2a und
dessen Einlass 4a zur Saugseite 21 entsteht. Damit
ist der in diesem Falle erforderliche Bypass hergestellt, der verhindert,
dass der Druckunterschied zwischen der Druckseite 20 und der
Saugseite 21 das zulässige
Maß überschreitet. Das
angesaugte Öl 11a sowie
das in dem durch den ersten Siphon gesaugte Gas befindliche Öl bzw. Ölnebel 11c werden
nun über
den Prallabscheider 9 bzw. die Wandfalle 9' sowie durch
das Abscheideelement 10 in dem Deckenrohr 2a zumindest
grob abgeschieden und anschließend
in dem Sammelraum 18 gesammelt. Der Sammelraum 18 weist
gegenüber dem
darunterliegenden Deckenrohr 2a einen größeren Querschnitt
auf. Von dort läuft
das abgeschiedene Öl 11b in
den zweiten Siphon, der weiterhin sperrt und nunmehr das Öl 11b in
den druckseitigen Bereich weiterführt. Auf diese Weise ist zumindest
eine Grobabscheidung von Öl
und Ölnebel 11c aus
den Blow-by-Gasen auch im Notbetrieb möglich.
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Das
so grob gereinigte Blow-by-Gas wird über den Auslass 22 zum
Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors geführt.