DE102008025509A1

DE102008025509A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Separierung der Festkörperpartikel aus Gas

Info

Publication number: DE102008025509A1
Application number: DE102008025509A
Authority: DE
Inventors: Johann-Marius Milosiu
Original assignee: Milosiu Johann-Marius Dipl-Ing
Current assignee: Milosiu Johann-Marius Dipl-Ing
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2028-05-29
Also published as: DE102008025509B4; DE102008027803A1

Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren zur Separierung der Festkörperpartikel aus Abgasen eines Verbrennungsmotors beschleunigt diese in einem Rotor mit Trennwänden und zentraler Umlenkplatte, ohne daß die entstehende Zentrifugalkraft für den Durchsatz des eingeführten Gases gebraucht wird, und zwar so, daß im Rotor-Bereich mit dem größten Durchmesser die Gasgeschwindigkeit am niedrigsten ist und die Festkörperanteile leicht durch Durchbrüche in der Peripherie des Rotors auf die schräge Wand eines Auffangbehälters geraten und in ihrer Rotation durch ein Rippensystem behindert angesammelt werden. Durch eine Verschlußkappe können die separierten Partikel regelmäßig entfernt werden. Die Konstruktion ist sehr flach gestaltet, indem eine einseitige Lagerung des Rotors verwendet wird, sowie auch durch versenkte Unterbringung des Motors auf der dem Zuführungsrohr für die eingeführten Gase abgewandten Seite des Gehäuses.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie das entsprechende Verfahren zur Separierung der Festkörperpartikel aus Gas. Die empfohlene Anwendung ist für die Reinigung der Abgase entstanden beim Verbrennungsmotoren, wobei die Vorrichtung als Partikelfilter arbeitet. Da die Dichte der Festkörperpartikel in diesen Abgasen größer ist als die Dichte der einzelnen Gase aus dem, die Abgase bildende Gasgemisch, wird für die Separierung die Zentrifugalkraft eingesetzt, die beim Rotieren des Gases in einem Rotor entsteht.
Zur Zeit existieren verschiedene Filtersysteme die in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren eingebaut werden. Sie sind entweder vom Typ Wandfilter, wo eine poröse Wand von den Abgasen durchdrungen wird, wobei die Festkörperpartikel im porösen Material stecken bleiben, oder vom Typ Durchflußfilter wo die Abgase mit den Festkörperpartikel in vergleichsweise dickere Kanäle geführt werden wo sie meist auf katalytische Weise vollständig verbrannt werden.
Beide Filterarten haben Nachteile wie:

– Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs
– Teuer
– Verwendung von Additiven
– Notwendigkeit konstruktiver Maßnahmen
– Einschränkungen bei der Kraftstoffauswahl
– keine vollständige Reinigung der Abgase
– steigende Anfälligkeit und sinkende Wirksamkeit mit der Betriebsdauer
– Freisetzung anderer schädlicher Subtanzen wie Stickoxide die allergieauslösend sind und auch andere gesundheitsschädigende Wirkungen haben

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung samt Verfahren zu schaffen, die:

– die aufgeführten Nachteile vermeiden
– eine Anwendung ohne sonstigen konstruktiven Einschränkungen der Motoren gestattet
– die problemlose Nachrüstung vorhandener Autos mit erfindungsgemäßen Filter erlaubt
– vernachlässigbarer Mehrverbrauch von Kraftstoff für die Filterung
– flache Bauweise um die Vorrichtung leicht neben dem Auspufftopf des jeweiligen Autos plazieren zu können.

Um diese Ziele zu erreichen, verwendet die erfindungsgemäße Vorrichtung eine speziell zur Abtrennung von Festkörperpartikel aus den Abgasen konzipierte Zentrifuge. Solche Zentrifugen sind aus der Patentanmeldung 10 2008 012 158.4 bekannt; dabei werden sie eingesetzt um die schwere Gaskomponente samt Staub aus dem Gasgemisch zu separieren. Die vorliegende Erfindung setzt darauf, aber stellt eine Konstruktion vor, die speziell auf die Abtrennung vom Staub eingerichtet ist. Die Abgase werden in einem Rotor mit radialen Wänden und zentralen Umlenkplatte horizontal bescheunigt. Durch die spezielle Konfiguration der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Zentrifugalkraft nicht für die Beförderung des Gases innerhalb der Vorrichtung eingesetzt, sondern das mit Festkörperpartikel verunreinigte Gas muß durch eine externe Pumpwirkung zirkulieren. Der große Vorteil dieser Arbeitsweise ist, daß das Gas mit einer beliebig kleinen Durchsatzgeschwindigkeit in der Zone ankommt, wo die Zentrifugalkraft wirkt und somit eine extrem hohe Reinigungswirkung erzielt wird, weil den mikroskopisch kleinen Festkörperpartikel die notwendige Zeit gelassen wird, das durchströmende Gas zu verlassen und in den Auffangbehälter zu kommen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.
Es zeigt:
1 Längsschnitt durch die Separiervorrichtung
2 Querschnitt durch die Vorrichtung (Schnitt AA)
Aufgrund der Figuren wird die Funktion näher erläutert.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Vorrichtung zur Separierung der umweltschädlichen Festkörperanteile aus Gas, die bei Verbrennungsmotoren entstehen. Die Abgase 1 kommend beispielsweise vom Auspufftopf eines Autos werden durch den Zuführungsanschluß 2 und die feststehende Zuführung 3 in den Rotor 4 der Zentrifuge geführt, wo sie durch die radialen Trennwände 5 in Rotation gebracht werden und durch die zentrale Umlenkplatte 6 ausnahmslos an die Peripherie des Rotors gedruckt werden. Der externe Druck der Abgase 1 zwingen diese die zentrale Umlenkplatte 6 zu umlaufen und in einem Winkel von etwa 360 Grad zurück zum Zentrum der unteren Seite der zentralen Umlenkplatte 6 zu kommen. In diesem Umlenkbereich ist auch die zentrifugale Kraft, bedingt durch den großen Durchmesser, am größten, wobei die Fortsatzgeschwindigkeit des Gases am kleinsten ist. Dadurch geraten die Festkörperpartikel aus dem Gas an die Peripherie des Rotors 4 und werden durch die schrägen Wände „a” und „b” des Rotors 4 sowie durch die Ablenkbleche 7 in Richtung der Durchbrüche 8 gezwungen, wodurch sie den Rotor 4 der Zentrifuge verlassen und in den Auffangbehälter 9 geraten. Durch die hohe Geschwindigkeit, die diese Festkörperpartikel in der Zentrifuge erlangt haben, schlagen sie auf die schräge Wand 10 des Auffangbehälters 9 und werden so nach unten abgelenkt. Eine Rotation der abgetrennten Festkörperanteile außerhalb des Rotors 4 wird durch die Rippen 41 solidarisch mit dem Auffangbehälter 9 wirksam verhindert. Da der Boden 11 des Auffangbehälters 9 ein deutliches Gefälle hat, geraten die Festkörperpartikel insbesondere unter den Vibrationen verbunden mit dem Betrieb des Autos aber auch durch die Schiebewirkung der Umlenkung an der schrägen Wand 10 und Rippen 41 in den tiefer gelegenen Teil 12 des Auffangbehälters 9, wo sie in Laufe der Zeit sich ansammeln. Bei regelmäßiger Wartung wird der angesammelte Staub oder Ruß 13 durch die Wartungskappe 14 abgedichtet mit der Dichtung 44 entleert. Um eine komplette Entfernung des Staubs 13 zu erreichen, wird nach der Grobentleerung bei Motorstillstand auch eine nachfolgende Spülung vorgenommen, wobei anstelle der Kappe 14 ein Auffangsack 16 – ohne Darstellung auf der Zeichnung – an den Verschluß 15 des Auffangbehälters befestigt wird und der Motor für eine kurze Zeit gestartet; der dabei entstehende Druck treibt die Abgase 1 jetzt direkt durch die Durchbrüche 8 und bläst das Innere des Auffangbehälters 9 frei.
Im normalen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das unter der zentralen Umlenkplatte 6 sich angesammelte Gas durch die rotierende Abführung 17, die feststehende Abführung 18 solidarisch mit dem Boden 11 des Auffangbehälters 9 in das Abführungsrohr 19 geleitet und so als gereinigte Abgase 42 in die Atmosphäre entlassen. Der Übergang zwischen der rotierenden Abführung 17 und der feststehenden Abführung 18 ist labyrinthartig gestaltet um den Gasdurchlaß zu verhindern und mit einem temperaturbeständigen Simerring 43 abgedichtet um eine komplette Abdichtung zu erreichen. Bei sorgfältiger Gestaltung des labyrinthartigen Übergangs ist der temperaturbeständige Simerring 43 nicht zwingend erforderlich.
Der Rotor 4 der zentrifugalen Vorrichtung ist einseitig hengend durch einen Kugellager in abgedichteter Ausführung 20 gelagert zwischen der rotierenden Aufnahme 21 solidarisch mit dem Rotor 4 und der feststehenden Aufnahme 22 solidarisch mit der oberen Abdeckung 23 der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die per Gewinde mit mehreren Anfängen mit dem Auffangbehälter 9 verbunden ist, wobei eine Ringdichtung 24 die notwendige Dichtigkeit gewährleistet. In einer weiteren Ausführungsvariante sind der Auffangbehälter 9 und die obere Abdeckung 23 zusammengeschweißt und ohne Gewinde und Dichtung 24 montiert. Die zentrale Umlenkplatte 6 ist solidarisch sowohl mit den radialen Trennwänden 5, die die mechanische Verbindung zwischen dieser und der äußeren Hülle des Rotors 4 herstellen, als auch mit der Achse 25 der erfindungsgemäßen Vorrichtung, womit der Rotor 4 vom Motor 26 mit elektrischen Anschluß 30 mittels Kettenübertragung 35, bestehend aus Antriebsrad 27, dem angetriebenen Rad 28 und Kette 29, angetrieben wird. Die geringen axialen Kräfte die auf dem Rotor 4 wirken, werden am oberen Ende der Achse 25 durch den oberen Kugellager in abgedichteter Ausführung 31 aufgefangen, welcher plaziert ist zwischen der Aussparung am oberen Teil der feststehenden Zuführung 3, der Zwischenplatte 34 und der großen Mutter 32 angeschraubt im Bereich „y” der Achse 25, worauf das angetriebene Rad 28 mittels kleiner Mutter 33 im Bereich „x” der Achse 25 befestigt ist. Über der Zwischenplatte 34 und Kettenübertragung 35 ist die obere Abdeckung 36 dicht mittels Schrauben 37 – oder Schweißnaht in einer anderen Ausführungsvariante – auf der Zwischenplatte 34 und oberen Flansch 38 der feststehenden Zuführung 3 befestigt. Eine Verfestigung 39 befestigt durch Schrauben 40 – oder durch eine Schweißnaht in einer anderen Ausführungsvariante – zwischen dem Motorgehäuse und dem oberen Teil der oberen Abdeckung 23 gibt der Teil mit dem Kettenübertragung 35 die notwendige Rigidität.
Eine andere Ausführungsvariante der Erfindung erlaubt die Einstellung einer eigener Pumpwirkung der Vorrichtung durch Ausnutzen der Zentrifugalkraft und zwar durch Verkleinerung der Höhe „h2” des unteren Teils der radialen Trennwände 5; wenn, im Extremfall die untere Hälfte der Trennwände komplett fehlt, wirkt nur die Höhe „h1” der radialen Trennwände zur radialen Beschleunigung der Gasmaßen und diese werden dann durch die Abführung 19 hinausgepreßt; es entsteht am Zuführungsanschluß 2 ein Unterdruck der die Anwendung der Vorrichtung als gewöhnlichen Staubsauger erlaubt. Dabei ist aber die horizontale Lage der Vorrichtung zwingend einzuhalten. Die Hohe „h1” der radialen Trennwände 5 ist für diesen Anwendungsfall nach Bedarf zu erhöhen, wobei je größer die Höhe „h1” ist, desto größerer Wirkungsgrad der Separierung ist erreichbar.
Ein Teil der radialen Trennwände 5 müssen sich nicht bis zur Achse 25 erstrecken, sondern sind kürzer um den Raum in unmittelbarer Nähe der Achse 25 für den Gansdurchsatz frei zu halten; letztendlich genügt wenn nur 3 bis 6 dieser radialen Trennwände bis zur Achse 25 reichen.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Separierung der Festkörperpartikel aus Gas basierend auf die Zentrifugation des Gemisches Gas/Staub kommend durch den Zuführungsanschluß 2, der feststehenden Zuführung 3 in den Rotor 4 der Zentrifuge, wo es durch radiale Trennwände 5 solidarisch sowohl mit der Achse 25 als auch mit den äußeren Wänden des Rotors 4 und auch mit einer zentralen Umlenkplatte 6 beschleunigt wird und diese zentrale Umlenkplatte umrunden, um auf deren Unterseite und danach durch die rotierende Abführung 17, der feststehenden Abführung 18 und dem Abführungsrohr 19 als gereinigte Abgase in die Atmosphäre entlassen werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor 4 die Durchbrüche 8 seitlich an seinem größten Durchmesser aufweist, welche den Boden von sektormäßig gebildeten Trichtern bestehend aus den schrägen Wänden „a” und „b” des Rotors 4, sowie den Umlenkblechen 7 bilden, so dass die in diesem Bereich durch die Zentrifugalkraft radial beschleunigten Festkörperpartikel die Durchbrüche 8 seitlich passieren, während das Gas dies nicht kann, weil verhindert durch den Staudruck im Auffangbehälter 9, der zusammen mit seiner Abdeckung 23 ein luftdichtes Gehäuse bilden.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erfindungsgemäße Separiervorrichtung gegen seitlich wirkenden Kräften auf den hängenden Rotor 4 ausgerüstet ist, durch einen Kugellager in abgedichteter Ausführung 20 gelagert zwischen der rotierender Aufnahme 21 solidarisch mit dem Rotor 4 und der feststehenden Aufnahme 22 solidarisch mit der oberen Abdeckung 23, die mit dem Auffangbehälter 9 verbunden ist, wobei die axialen Kräfte durch den oberen Kugellager in abgedichteter Ausführung 31 aufgefangen werden, welcher plaziert ist zwischen der Aussparung im oberen Teil der feststehenden Zuführung 3, der Zwischenplatte 34 und der großen Mutter 32 angeschraubt im Bereich „y” der Achse 25.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine sehr flache Bauweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht wird, indem der Motor 26 für den zentrifugalen Betrieb des Rotors 4 seitlich, auf der dem Zuführungsanschluß 3 abgewandten Seite der Achse 25 and der Zwischenplatte 34 angeschraubt ist, sowie auf der oberen Abdeckung 23 mittels Verfestigung 39 verankert ist, wobei das Drehmoment durch die Kettenübertragung 35 bestehend aus dem Antriebsrad 27 solidarisch mit Achse des Motors 26, dem angetriebenen Rad 28 montiert auf der Achse 25 und Kette 29, bewerkstelligt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der nachfolgenden, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom der Festkörperpartikel, welcher durch die Durchbrüche 8 während des Betriebes kommt, durch die schrägen Wände 10 (tronkonischer Teil) und der mit deutlichem Gefälle existierende Boden 11 des Auffangbehälters 9 in seinem tiefer gelegenen Teil 12 zwangsweise zum angesammelten Staub 13 gelangt, unter welchem die Wartungskappe 14 abgedichtet mit der Dichtung 44 angeschraubt an den Verschluß 15 solidarisch mit dem Auffangbehälter sich befindet, wodurch der Staub 13 regelmäßig entfernt werden kann.