DE102008050684A1

DE102008050684A1 - Membranvorrichtung

Info

Publication number: DE102008050684A1
Application number: DE102008050684A
Authority: DE
Inventors: Marc Ajhar; Peter Michael Follmann; Carsten Matthias; Thomas Melin
Original assignee: Individual
Current assignee: Vivta Ev 52064 Aachen De
Priority date: 2008-10-07
Filing date: 2008-10-07
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2028-10-08
Also published as: DE102008050684B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membranvorrichtung (10) zum Filtern eines ersten Bestandteils aus einem Fluid. Es ist eine Membranfläche vorgesehen, die für den zu filternden ersten Bestandteil des Fluids im Wesentlichen permeabel ist. Erfindungsgemäß ist eine Einstellvorrichtung (12) zum Verändern der Größe der Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird, vorgesehen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Filtern eines ersten Bestandteils aus einem Fluid, wobei die Größe der Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird, verändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranvorrichtung zum Filtern eines ersten Bestandteils aus einem Fluid.
Derartige Membranvorrichtungen können in diversen technischen Gebieten verwendet werden. Beispielsweise ist es bekannt, eine Membranvorrichtung zu verwenden, um Sauerstoff aus der Ladeluft herauszufiltern, die einer Brennkraftmaschine zugeführt wird. Die der Brennkraftmaschine zugeführte Ladeluft weist somit einen erhöhten Stickstoffanteil auf. Durch die Absenkung der Sauerstoffkonzentration in der Ladeluft werden vergleichbar zum Abgasrückführungsverfahren die Temperaturen im Brennraum herabgesetzt, und damit die NO_x-Bildung reduziert. Ein derartiges Stickstoffanreicherungsverfahren wird auch als NEA-Verfahren (NEA: Nitrogen enriched air) bezeichnet. Vorteilhaft am NEA-Verfahren gegenüber einer Abgasrückführung ist, dass keine Sauergaskomponenten in den Motor gelangen, womit der Motorverschleiß reduziert wird. Ferner werden dem Motor keine Rußpartikel zugeführt.
Probleme, die beim NEA-Verfahren berücksichtigt werden müssen, sind lastpunktspezifische Massenverluste an Stickstoff über die Membran, ferner Druckverluste bedingt durch das Membranmodul. Daher sind beim NEA-Verfahren größere Ansaugströme an Feed-Luft notwendig.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des NEA-Verfahrens bei einer durch einen Verdichter aufgeladenen Brennkraftmaschine, beispielsweise bei einem Dieselmotor mit Turbolader. Das Produkt des Membranprozesses bei diesem Verfahren ist das Retentat, nämlich die Ladeluft des Motors. Der Sauerstoff, der die Membranvorrichtung passiert, wird als Permeat abgeführt. Das Retentat liegt somit auf der Hochdruckseite der Membran. Durch den bereits vorhandenen Ladeluftkompressor wird die für den Membrantrennprozess benötigte Triebkraft in Form einer transmembranen Partialdruckdifferenz bereits zur Verfügung gestellt. Dies bedeutet, dass der Kompressor, beispielsweise der Turbolader dazu verwendet wird, einen feedseitigen Überdruck zu erzeugen, wobei geringe modulspezifische Druckverluste durch die Regelung des Ladeluftkompressors ausgeglichen werden können. Eine sich dem Membranmodul anschließende erneute Kompression der stickstoffangereicherten Ladeluft vor dem Brennraum ist nicht erforderlich.
Aus DE 199 43 132 ist ein Luftflussmanagementsystem und ein entsprechendes Verfahren für einen Verbrennungsmotor beschrieben. Hierbei ist eine selektiv durchlässige Membranvorrichtung vorgesehen, die als Einlasslufttrennvorrichtung wirkt. Ein vorgeschriebener Teil der Einlassluft wird in einen Fluss von sauerstoffangereicherter Luft und einen Fluss von stickstoffangereichter Luft aufgeteilt. Es ist jeweils eine Flussschaltung für die sauerstoffangereicherte und die stickstoffangereicherte Luft vorgesehen, wobei jeweils ein oder mehrere Sauerstoffeinleitungspunkte und Stickstoffeinleitungspunkte verwendet werden. Es sind ferner Flusssteuervorrichtungen vorgesehen, die in Verbindung mit der Motorsteuervorrichtung in Abhängigkeit von Motorbetriebszuständen dem Motor stickstoffangereichte Luft oder sauerstoffangereichte Luft zuführen.
Nachteilig an dem genannten System und Verfahren ist, dass die Anpassung an verschiedene Betriebszustände des Motors durch einen komplexes Leitungssystem realisiert wird, da es notwendig ist, separate Leitungen für die sauerstoff- und stickstoffangereicherte Luft vorzusehen, die an verschiedenen Punkten der Brennkraftmaschine zugeführt werden muss. Ferner ist es an jedem dieser Punkte notwendig, eine entsprechende Flusssteuervorrichtung vorzusehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Membranvorrichtung sowie ein Verfahren zum Filtern eines ersten Bestandteils aus einem Fluid zu schaffen, wobei die Vorrichtung bzw. das Verfahren auf einfache Weise an verschiedene Randbedingungen, insbesondere an verschiedene Betriebszustände einer Brennkraftmaschine, angepasst werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 21.
Eine Membranvorrichtung zum Filtern und/oder Anreichern eines ersten Bestandteils aus einem Fluid weist eine Membranfläche auf, die für den zu filternden ersten Bestandteil des Fluids im Wesentlichen permeabel ist. Beispielsweise kann die Membranfläche für Sauerstoff permeabel sein, während die Membran für Stickstoff weniger permeabel ist. Insbesondere ist die Membranfläche für den zu filternden ersten Bestandteil des Fluids permeabler als für einen zweiten Bestandteil des Fluids, der im Retentat anzureichern ist. Vorzugsweise ist die Permeabilität von Sauerstoff durch die Membran um den Faktor 2–10 höher als die Permeabilität von Stickstoff. Die Permeabilität ergibt sich bei Membranen zur Gastrennung aus dem Produkt aus Löslichkeits- und Diffusionskoefizent.
Erfindungsgemäß ist eine Einstellvorrichtung vorgesehen, durch die die Größe der Membranfläche, der das Fluid insbesondere unmittelbar zugeführt wird, veränderbar ist.
Als Membranfläche wird insbesondere die Permeationsfläche der Membranvorrichtung verstanden. Beispielsweise kann die Membranvorrichtung als ein Hohlfasermembranmodul ausgebildet sein, wobei das Membranmodul mehrere Membranflächenteile aufweist, die in ihrer Gesamtheit die Membranfläche ausbilden. Jeder Membranflächenteil weist einen Permeationsflächenteil auf, so dass die gesamte Permeationsfläche durch die Summe der einzelnen Permeationsflächenteile ausgebildet wird.
Es ist möglich, die erfindungsgemäße Membranvorrichtung derart auszubilden, dass die gesamte Permeationsfläche, das heißt die gesamte Membranfläche, an denjenigen Betriebszustand einer Anwendung angepasst wird, in dem die größte Membranfläche benötigt wird. Dieser Wert ist zuvor bekannt und wird beispielsweise durch Versuche ermittelt.
Sollte zum Beispiel die Membranvorrichtung zum Zuführen von Ansaugluft zu einer Brennkraftmaschine verwendet werden, so kann die maximal benötigte Membranfläche für alle Betriebspunkte der Brennkraftmaschine über 1000 qm betragen. Für andere Betriebspunkte, kann jedoch die benötigte Membranfläche in der gleichen Anwendung unter 100 qm betragen. Würde das Modul mit der maximalen Membranfläche von über 1000 qm bei diesen Betriebspunkten mit unveränderter Membranfläche betrieben, so hätte dies eine inakzeptablen Systemwirkungsgrad, einen deutlich zu großen Ladeluftstrom pro Zylinder der Brennkraftmaschine, sowie zu hohe Massenverluste durch das Permeat über die Membranfläche zur Folge. Nähere Einzelheiten zu den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine sind im Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Die theoretischen Grundlagen über den Zusammenhang zwischen der Membranfläche einer Membranvorrichtung sind in „M. Ajhar, et al., Membranes producing nitrogen-enriched combustion air in diesel engines: Assessment via dimensionless numbers, J. Membr. Sci. (2008), doi: 10.1016/j.memsci.2008.06.007" und in der Veröffentlichung „Cutting Nox from Diesel Engines with Membrane Generated Nitrogen Enriched Air (DJS Aug 24, 2005 von Don Stookey, Stuart Nemser and John Bowser, www.compactmembrane.com)" erläutert.
Durch die erfindungsgemäße Einstellvorrichtung, durch die die Größe der Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird, verringerbar ist, ist es somit möglich, die erfindungsgemäße Membranvorrichtung ohne die oben genannten Nachteile und insbesondere mit einem erhöhten Wirkungsgrad zu betreiben.
Besonders bevorzugt ist die Membranvorrichtung, insbesondere an einer durch das Fluid angeströmten Stirnseite, durch Trennvorrichtungen in mehrere Membranvorrichtungssegmente unterteilt. Hierdurch wird beispielsweise die Stirnseite der Membranvorrichtung, insbesondere fluiddicht in mehrere Segmente unterteilt. Bevorzugt ist die Trennvorrichtung nur an der Stirnseite des Membranmoduls angeordnet und erstreckt sich nicht durch das gesamte Membranmodul. Zusätzlich kann retentatseitig eine weitere Trennvorrichtung am Membranmodul angebracht sein. Weist beispielsweise die Membranvorrichtung einen kreisrunden Querschnitt auf, so können die einzelnen Membranvorrichtungssegmente kreissegmentförmig ausgebildet sein. Die Membranvorrichtung kann weiterhin auch in radialer Richtung in mehrere Membranvorrichtungssegmente aufgeteilt sein.
Besonders bevorzugt ist jedem Membranvorrichtungssegment ein Membranflächenteil zugeordnet. Dies bedeutet, dass jedes Membranvorrichtungssegment eine Teilpermeationsfläche aufweist, die einen Teil der Gesamtpermeationsfläche, das heißt der gesamten Membranfläche der Membranvorrichtung ausbildet.
Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Einstellvorrichtung derart ausgebildet, dass das Fluid wenigstens einem oder mehreren Membranvorrichtungssegmenten zuführbar ist. Dies bedeutet, dass die Einstellvorrichtung derart eingestellt werden kann, dass das Fluid beispielsweise ausschließlich einem Membranvorrichtungssegment zuführbar ist. In diesem Zustand der Einstellvorrichtung ist das Fluid den übrigen Membranvorrichtungssegmenten gar nicht oder nur mittelbar zuführbar. Unter einer mittelbaren Zuführung wird insbesondere verstanden, dass das Fluid diesen Membranvorrichtungssegmenten nicht über die Stirnseite der Membranvorrichtung, sondern beispielsweise über die Permeationsflächen anderer Membranvorrichtungssegmente zuführbar ist. Die mittelbare Zuführung des Fluides in Form eines Sweepstromes erhöht die Effizienz der Membranvorrichtung, da die treibende Kraft für die Permeation von Sauerstoff über die Permeationsflächen erhöht wird.
Weiterhin können die Einstellvorrichtung und die Trennvorrichtungen derart ausgebildet sein, dass das Fluid den Membranvorrichtungssegmenten in verschieden großen Gruppen zugeführt werden kann.
Besonders bevorzugt ist jeder Membranflächenteil und/oder jedes Membranvorrichtungssegment mittelbar und/oder unmittelbar mit jeweils einem permeat- und einem retentatseitigen Auslass fluidisch verbunden. Über den permeatseitigen Auslass wird der erste Bestandteil des Fluids abgeführt, der aus dem Fluid entfernt werden soll. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Sauerstoffanteil aus der Ladeluft einer Brennkraftmaschine handeln. Über den retentatseitigen Auslass wird das Fluid seiner weiteren Verwendung, beispielsweise als Ladeluft einer Brennkraftmaschine, zugeführt.
Die Anströmfläche der Membranvorrichtung, die von dem Fluid angeströmt wird, ist insbesondere an der Stirnseite der Membranvorrichtung ausgebildet. In der Ausgangsposition der Einstellvorrichtung, das heißt in der Position der Einstellvorrichtung, in der die Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird, nicht verringert wird, entspricht die Größe der Anströmfläche der Membranvorrichtung, im Wesentlichen der Querschnittsfläche der Membranvorrichtung, wobei durch Einstellen der Einstellvorrichtung die Größe der Anströmfläche der Membranvorrichtung verringerbar ist. Die Anströmfläche befindet sich besonders bevorzugt in Strömungsrichtung hinter der Einstellvorrichtung. Als Querschnitt der Membranvorrichtung wird insbesondere diejenige Fläche verstanden, die senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Fluids verläuft.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Membranvorrichtung sind zwei Einstellvorrichtungen vorgesehen, die insbesondere identisch ausgebildet sind. Die erste Einstellvorrichtung kann hierbei in Strömungsrichtung des Fluids vor der Membranvorrichtung, insbesondere an ihrer ersten Stirnseite angeordnet sein. Die zweite Einstellvorrichtung kann in Strömungsrichtung des Fluids nach der Membranvorrichtung, insbesondere an ihrer zweiten Stirnseite angeordnet sein. Wird die Membranvorrichtung beispielsweise zum Zuführen von Ladeluft zu einer Brennkraftmaschine verwendet, so kann die erste Einstellvorrichtung feedseitig und die zweite Einstellvorrichtung ladeluftseitig, das heißt zum Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine hin, angeordnet sein.
Besonders bevorzugt weist die Einstellvorrichtung ein erstes und ein zweites Einstellelement auf, die relativ zueinander verschiebbar und/oder drehbar sind. Dabei kann das erste Einstellelement mehrere erste Durchlassausnehmungen aufweisen, die insbesondere mit jeweils mindestens einem Mebranflächenteil und/oder mit einem Membranvorrichtungssegment fluidisch verbunden sind. Insbesondere ist jede dieser ersten Durchlassausnehmungen genau mit einem Membranflächenteil und/oder Membranvorrichtungssegment verbunden und von den übrigen Membranflächenteilen und/oder Membranvorrichtungssegmenten fluidisch getrennt. Dies bedeutet, dass von jeder ersten Durchlassausnehmung aus, das Fluid zumindest nicht unmittelbar zu den übrigen Membranflächenteilen und/oder Membranvorrichtungssegmenten gelangen kann. Zusätzlich ist es möglich, das unmittelbar angeströmte Membranvorrichtungssegment mittelbar mit einem Sweepstrom zu umströmen. Dies kann durch dieselbe Einstellvorrichtung geschehen oder über eine weitere Einstellvorrichtung, die nur für die Bereitstellung von Sweepgas verwendet wird.
Das zweite Einstellelement weist wenigstens eine, insbesondere mehrere zweite Durchlassausnehmungen auf, die in der Ausgangsposition der Einstellvorrichtung fluidisch mit allen ersten Durchlassausnehmungen des ersten Einstellelements verbunden sind, und insbesondere mit diesen fluchten. Als Ausgangsposition der Einstellvorrichtung wird in diesem Fall diejenige Position der Einstellvorrichtung verstanden, in der die Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird, nicht verringert wird. In dieser Position kann somit das Fluid der gesamten Permeationsfläche der Membranvorrichtung zugeführt werden.
Durch ein Verschieben und/oder Drehen des zweiten Einstellelements relativ zum ersten Einstellelement kann die Anzahl der ersten Durchlassausnehmungen des ersten Einstellelements, die fluidisch mit den zweiten Durchlassausnehmungen des zweiten Einstellelements verbunden sind, verringert werden. Besonders bevorzugt ist das erste Einstellelement der ersten Einstellvorrichtung, das heißt derjenigen Einstellvorrichtung, die in Strömungsrichtung vor der Membranvorrichtung angeordnet ist, unmittelbar an der Membranvorrichtung angeordnet. Das zweite Einstellelement ist dementsprechend in Strömungsrichtung vor dem ersten Einstellelement angeordnet. Sofern eine zweite Einstellvorrichtung in Strömungsrichtung nach der Membranvorrichtung verwendet wird, ist diese Reihenfolge entsprechend umgekehrt.
Jeder ersten Durchlassausnehmung des ersten Einstellelements ist vorzugsweise ein Membranvorrichtungssegment zugeordnet, so dass durch ein Verschieben und/oder Drehen des zweiten Einstellelements relativ zum ersten Einstellelement die Zuführbarkeit des Fluids zu den einzelnen Membranvorrichtungssegmenten oder zu Gruppen der Membranvorrichtungssegmente einstellbar ist.
Ist es notwendig, für einen bestimmten Betriebszustand die Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird, zu verringern, so können durch ein Verschieben und/oder Drehen des zweiten Einstellelements relativ zum ersten Einstellelement eine oder mehrere Durchlassausnehmungen des ersten Einstellelements durch das zweite Einstellelement verschlossen werden. Dies geschieht dadurch, dass das zweite Einstellelement relativ zum ersten Einstellelement derart bewegt wird, dass die ersten und zweiten Durchlassausnehmungen nicht mehr fluchten, sondern an der Stelle, an der eine erste Durchlassausnehmung im ersten Einstellelement vorhanden ist, das zweite Einstellelement keine Durchlassausnehmung aufweist.
Besonders bevorzugt sind die ersten und zweiten Durchlassausnehmungen derart angeordnet, dass durch ein Verschieben und/oder Drehen des zweiten Einstellelements relativ zum ersten Einstellelement die Anzahl der ersten Durchlassausnehmungen schrittweise um eins veränderbar ist. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die zweiten Durchlassausnehmungen des zweiten Einstellelements mindestens zwei, bevorzugt drei und besonders bevorzugt vier verschieden große Flächeninhalte aufweisen. So können beispielsweise die kleinsten zweiten Durchlassausnehmungen einen Flächeninhalt von 1 cm² aufweisen, während die zweitkleinsten Durchlassausnehmungen einen Flächeninhalt von 2 cm² aufweisen, die drittkleinsten zweiten Durchlassausnehmungen einen Flächeninhalt von 3 cm² aufweisen, und die größten zweiten Durchlassausnehmungen einen Flächeninhalt von 4 cm² aufweisen.
Besonders bevorzugt weisen die zweiten Durchlassausnehmungen eine im Wesentlichen gleiche Breite auf, wobei die verschiedenen Flächeninhalte durch unterschiedliche Längen der zweiten Durchlassausnehmungen entstehen, wobei sich die Länge der zweiten Durchlassausnehmungen insbesondere entlang der Verschiebungs- oder Rotationsrichtung des zweiten Einstellelements relativ zum ersten Einstellelement erstreckt. Bei kreisförmigen Einstellelementen kann somit die Länge der zweiten Durchlassausnehmungen auch auf einer Kreislinie verlaufen.
In einer alternativen Ausführungsform ist es möglich, dass die Einstellvorrichtung als Querschnittsveränderungsvorrichtung ausgebildet ist, die insbesondere nach dem Prinzip einer stufenlosen Blende arbeitet. Somit ist es möglich, dass die Blende in beliebigen Positionen mehr oder weniger geöffnet oder geschlossen wird, so dass ein beliebig großer Querschnitt der Membranvorrichtung freigegeben wird, so dass diesem Querschnitt, der sich insbesondere an der Stirnseite der Membranvorrichtung befindet, Fluid zugeführt werden kann. Die Blende funktioniert auch ohne Trennvorrichtungen. Sie muss nur gegenüber der Membranstirnfläche dichten Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Membranvorrichtung bei einer Ansaugvorrichtung für eine insbesondere durch einen Verdichter aufgeladene Brennkraftmaschine verwendet. Bei dem Verdichter kann es sich beispielsweise um einen Turbolader handeln. Die Membranvorrichtung wird zum Zuführen stickstoffangereicherter Luft an die Brennkraftmaschine verwendet, wobei der Ladeluft durch die Membranvorrichtung Sauerstoff entzogen wird. Die stickstoffangereicherte Luft bildet somit das Retentat während der herausgefilterte Sauerstoff das Permeat bildet. Die Membranvorrichtung einer derartigen Ansaugvorrichtung kann sämtliche Merkmale aufweisen, die im Zusammenhang mit der Membranvorrichtung in der vorliegenden Anmeldung beschrieben sind.
Insbesondere ist eine Steuervorrichtung zum Steuern eines Antriebs vorgesehen, durch den die Einstellvorrichtung in Abhängigkeit des Lastzustandes der Brennkraftmaschine eingestellt wird. Der Antrieb kann beispielsweise als ein Schrittmotor ausgebildet sein. Alternativ kann eine Einrichtung vorgesehen werden, die Druck- und/oder Strömungskräfte zur Bewegung des zweiten Einstellelements relativ zum ersten Einstellelement nutzt.
Bei dem Verdichter, durch den die Brennkraftmaschine aufgeladen wird, kann es sich beispielsweise um einen Turbolader handeln, wobei die Größe der Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird, in Abhängigkeit vom Ladedruck des Turboladers bestimmt werden kann.
Die erfindungsgemäße Membranvorrichtung kann als Drei-End-Modul ausgebildet sein, wobei ein permeatseitiges Vakuum verwendet wird. Alternativ kann die erfindungsgemäße Membranvorrichtung als Vier-End-Modul mit einer Sweepgaszuführung ausgebildet sein. Als Sweepstrom kann beispielsweise ein Teil des Retentatstroms, ein Teil des Motorabgasstroms oder Luft, die über ein zusätzliches Gebläse bereit gestellt wird, verwendet werden. Das Gebläse ist hierbei nur erforderlich, um die im Membranmodul auftretenden Druckverluste auszugleichen, das heißt der zugeführte Luftstrom liegt nur geringfügig über dem Umgehungsdruck. Weiterhin kann als Sweepstrom ein Teil der Luft verwendet werden, die der Membran als Feedstrom zugeführt wird. Dieser Teilstrom kann beispielsweise nach dem Turbolader abgezweigt werden. Hierdurch wird ein zusätzliches Gebläse eingespart. Eine derartige Anordnung ist vor allem bei kleinen Sweepgasströmen interessant, weist jedoch Effizienznachteile auf.
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, die Membranvorrichtung und die Einstellvorrichtung räumlich zu trennen, so dass die Einstellvorrichtung nicht mehr unmittelbar an der Membranvorrichtung ausgebildet ist. Die Membranvorrichtung kann beispielsweise mehrere Membransegmente, oder Membranmodule aufweisen, die jeweils eine feedseitige Zuführöffnung und eine retentatseitige Abführöffnung aufweisen. Die Einstellvorrichtung kann eine entsprechende Anzahl an feedseitigen und retentatseitigen Ausnehmungen aufweisen, die mit den entsprechenden Ausnehmungen der Membranvorrichtung über Feed- und Retentatleitungen fludisch verbunden sind. Die feed- und retentatseitigen Ausnehmungen der Einstellvorrichtung können vorzugsweise über jeweils ein erstes und zweites Einstellelement insbesondere einzeln verschlossen werden. Das erste und zweite Einstellelement sind zueinander beweglich, so dass hierdurch getrennt eingestellt werden kann, wie vielen Membranmodulen oder Membransegmenten der Membranvorrichtung Feedluft, das heißt das Fluid zugeführt wird. Eine entsprechende Regelung durch die Einstellvorrichtung erfolgt vorzugsweise auch retentatseitig. Besonders bevorzugt sind die Membranmodule unterschiedlich groß ausgebildet, so dass eine Feinregelung der Permeationsflächen vorgenommen werden kann.
Durch die getrennte Ausbildung der Membranvorrichtungen der Einstellvorrichtung ist es möglich, bereits vorhandene Membranvorrichtungen, die aus mehreren Membranmodulen bestehen, durch eine Einstellvorrichtung nachzurüsten, so dass durch die Verringerung der Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird, verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine abgebildet werden können. Hierzu ist es nicht notwendig, jeder Membranvorrichtung zu diesem Zweck Ventile zuzuordnen. Das Zu- und Abschalten einzelner Membranmodule wird somit erfindungsgemäß vereinfacht.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer Membranvorrichtung, wie sie in der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist, zum Zuführen von stickstoffangereichter Luft an eine Brennkraftmaschine durch Herausfiltern von Sauerstoff, aus der der Brennkraftmaschine zuführbaren Luft.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Filtern eines ersten Bestandteils aus einem Fluid, wobei das Fluid einer Membranfläche zugeführt wird, die für den ersten Bestandteil des Fluids im Wesentlichen permeabel ist. Erfindungsgemäß erfolgt ein Verändern der Größe der Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird. Bevorzugt wird die Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird, durch eine Einstellvorrichtung ausgehend von der Maximalgröße der Membranfläche verringert, oder von der Minimalgröße der Membranfläche ausgehend vergrößert. Die genannten Verfahrensschritte, nämlich das Zuführen des Fluids und das Verändern der Größe der Membranfläche können in beliebiger zeitlicher Reihenfolge stattfinden.
Besonders bevorzugt wird das genannte Verfahren dazu verwendet, einer Brennkraftmaschine Ladeluft zuzuführen, wobei aus dieser Ladeluft Sauerstoff herausgefiltert ist, so dass es sich hierbei um stickstoffangereicherte Luft handelt. Bei dem Fluid handelt es sich daher um Luft und bei dem ersten Bestandteil der Luft um Sauerstoff. Die Größe der Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird, wird insbesondere je nach Lastzustand der Brennkraftmaschine angepasst. Die Brennkraftmaschine weist bevorzugt einen Verdichter, beispielsweise einen Turbolader auf, wobei insbesondere in Abhängigkeit des Ladedrucks des Verdichters die Größe der Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird, angepasst wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sämtliche Merkmale aufweisen, die in der vorliegenden Anmeldung im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben sind.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 eine Schrägansicht einer Membranvorrichtung nach dem Stand der Technik,
2 eine Membranvorrichtung nach dem Stand der Technik im Querschnitt,
3 eine Explosionsansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranvorrichtung,
4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in 3,
5 eine Schnittansicht entlang der Linie V-V in 3,
6 eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI in 3,
7a–7f Schnittansichten und Draufsichten einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membranvorrichtung, wobei eine Einstellvorrichtung die Anströmung vierer Membranmodule in einem reguliert,
8–10 schematische Ansichten weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Membranvorrichtung, wobei die Einstellvorrichtung von den Permeationsflächen räumlich getrennt ist,
11a und 11b Ansichten einer alternativen, zylindrischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einstellvorrichtung,
12a und 12b schematische Darstellungen der Einbindung von erfindungsgemäßen Membranvorrichtungen in Ansaugvorrichtungen einer Brennkraftmaschine, und
13 eine schematische Darstellung eines alternativen Antriebs für die Einstellvorrichtung.
1 zeigt ein Hohlfasermembranmodul aus dem Stand der Technik. Das Modul weist ein Gehäuse 34 auf, das einen feedseitigen Einlass 19, einen permeatseitigen Auslass 20 und einen retentatseitigen Auslass 22 aufweist. Über den feedseitigen Einlass 19 wird der Feed-Strom, beispielsweise Luft der Membran zugeführt. Diese wird an ihrer Stirnseite 14 von der Luft angeströmt.
An dieser Stelle ist die Anströmfläche 24 ausgebildet, die im Wesentlichen dem Querschnitt der zylinderförmigen Membranvorrichtung 10 entspricht. Über den permeatseitigen Auslass 20 wird sauerstoffangereicherte Luft abgeführt, während über den retentatseitigen Auslass 22 beispielsweise einer Brennkraftmaschine stickstoffangereicherte Luft zugeführt werden kann.
Zwei beispielhafte Anordnungen der erfindungsgemäßen Membranvorrichtung 10 sind in den 12a und 12b dargestellt, wobei hier deutlich wird, wie die Membranvorrichtung 10 in die Ansaugvorrichtung einer Brennkraftmaschine 58 eingebunden wird.
2 zeigt eine Membranvorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik im Querschnitt, wobei die Membran als eingeharztes Hohlfaserbündel ausgebildet ist.
Bei der Verwendung einer Membranvorrichtung 10 zur Stickstoffanreicherung der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine ist es zunächst notwendig, bestimmte Parameter einzuhalten. Abhängig vom Motortyp und dessen Betriebsweise können beispielsweise folgende Anforderungen angenommen werden:
Die Betriebsdrücke der Ladeluft auf der Hochdruckseite betragen zwischen 1,1 und 3,5 bar_abs. Es können auch Feeddrücke von mehr als 3,5 bar vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise bei Schiffsdieselmotoren der Fall sein. Die Ladelufttemperatur beträgt zwischen 20°C und 80°C. Ferner ist von Massenströmen zwischen 300–über 1000 kg/h auszugehen. Der Massenanteil des Sauerstoffs der Ladeluft liegt zwischen 18–23%.
Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über Lastpunkte mit entsprechenden Sauerstoffkonzentrationen für einen Zylinder einer Brennkraftmaschine wieder:

Testpunkt Druck Ladeluft O2-Anteil

bar_abs kg/h [Massen-%]

A100 2,80 153 18

A25 1,25 68 20

B100 3,20 211 18

B25 1,42 99 20

C100 3,30 243 18

C25 1,60 128 20
Anhand von Simulationen wurde ermittelt, dass die für die genannten Lastpunkte benötigten Membranflächen einer beispielhaften Membranvorichtung zwischen 50–über 1000 m² pro Zylinder des Motors variieren. Dies ist in der folgenden Tabelle dargestellt:

Testpunkt A100 A25 B100 B25 C100 C25

Membranfläche [m²] 80 1052 64 448 59 248

Massenverluste (Permeat) [kg/h] 75 120 102 94 126 86

Frischluft (Feed) [kg/h] 228 188 313 193 369 214
Die Summe der Massenverluste (Permeat), die über den permeatseitigen Auslass 20 abgeführt werden und der Ladeluft, d. h. der stickstoffangereicherten Luft, die über den retentatseitigen Auslass 22 der Brennkraftmaschine zugeführt wird, ergibt den Frischluftstrom (Feed), der über den feedseitigen Einlass 19 zugeführt wird. Beispielsweise wird der Membranvorrichtung beim Betriebspunkt A100 ein Frischluftstrom von 228 kg/h zugeführt, wovon 75 kg/h als Permeat abgeführt werden und 153 kg/h als Ladeluft der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Bei diesem Betriebspunkt herrscht ein Ladedruck von 2,8 bar_abs. Weiterhin ist bei diesem Betriebspunkt ein Sauerstoffanteil in der Ladeluft von 18 Massenprozent gefordert. Um die geforderten Parameter zu erfüllen, ist eine Membranfläche von 80 m² notwendig. Bei den Simulationen wurde von einem Dreiendmembranmodulbetrieb mit Umgebungsdruck auf der Permeatseite ausgegangen. Es wurden Membranen eines bekannten Membranmodulherstellers verwendet. Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, liegt eine starke Variation des Feed-Stroms sowie der Iastpunktspezifischen Massenverluste (Permeat) über die Membran vor.
Beim Betriebspunkt A25 ist zur Einhaltung der gewünschten Parameter eine Membranfläche von 1052 m² notwendig. Betrachtet man alle Betriebspunkte der Brennkraftmaschine, so stellt dieser Wert die größte benötigte Membranfläche dar. Um den ordnungsgemäßen Betrieb der Brennkraftmaschine sicherstellen zu können, muss die Membranvorrichtung somit eine Membranfläche von 1052 m² aufweisen. Hierbei handelt es sich um die gesamte Permeationsfläche der Membranvorrichtung 10.
Soll nun beispielsweise der Betriebspunkt B100 erreicht werden, für den ein Sauerstoffmasseneinteil von 18% in der Ladeluft benötigt wird, wird bei der verwendeten Membranfläche von 1052 m² ein Frischluftstrom (Feed) von 5150 kg/h pro Zylinder notwendig. Dies ergibt sich aus der Rechnung:
Hierdurch ergibt sich ein Massenstrom der Ladeluft von 3480 kg/h aus:
Ein derartiger Massenstrom ist deutlich zu groß. Ferner ergibt sich ein Massenverlust (Permeat) über die Membranfläche von 1670 kg/h aus:
Ein derartiger Massenverlust ist ebenfalls zu groß. Es ergibt sich ein nicht akzeptabler Systemwirkungsgrad, der sich auch nicht über die Motorregelung kompensieren lässt.
Die erfindungsgemäße Membranvorrichtung 10, wie sie beispielhaft in 3 dargestellt ist, bietet durch die Einstellvorrichtung 12 die Möglichkeit, die Größe der Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird, zu verändern. So ist es möglich, beispielsweise beim Betriebspunkt B100 die Größe der Membranfläche vom maximalen Wert von 1052 m² durch die Einstellvorrichtung 12 auf einen Wert von etwa 64 m² zu reduzieren, so dass hier lediglich Massenverluste von 102 kg/h sowie ein Feed-Strom von 313 kg/h auftreten. Hierdurch wird der Systemwirkungsgrad verbessert.
Gemäß 3 weist die Einstellvorrichtung 12 ein erstes Einstellelement 12a und ein zweites Einstellelement 12b auf. Das erste Einstellelement 12a weist erste Durchlassausnehmungen 28a, 28b, 28c auf. Das zweite Einstellelement 12b weist zweite Durchlassaufnehmungen 30a, 30b, 30c auf. Bei der Membranvorrichtung 10 kann es sich beispielsweise um ein Membranmodul aus Polymermembranen handeln. Besonders bevorzugt, wird ein Hohlfasermodul mit kompositischen Polymermembranen verwendet. An der Stirnseite 14 des Membranmoduls 10 ist eine Trennvorrichtung 16 vorgesehen, durch die die Membranvorrichtung 10 in mehrere Membranvorrichtungssegmente 18a, 18b, 18c unterteilt ist. Bei der Trennvorrichtung 16 handelt es sich vorzugsweise um ein Strukturgitter, das mit der Membran kraft-, stoff- oder formschlüssig verbunden ist. Beispielsweise kann das Strukturgitter mit den Hohlfasern im Membranmodul eingeharzt, verklebt oder aufgepresst sein. Das Strukturgitter 16 kann beispielsweise aus Kunststoff-, Metall-, Keramik- und/oder Kohlenstofffasern ausgebildet sein. Die Hohlfasern der Membranvorrichtung 10 können in Form eines Faserbündels beidseitig in dem Modul eingeharzt sein. Durch das Strukturgitter 16 kann die Membranvorrichtung 10 in mindestens zwei Membranvorrichtungssegmente aufgeteilt werden. Bevorzugt ist die Aufteilung in eine größere Anzahl von Segmenten, wobei beispielsweise maximal 30 Segmente vorgesehen werden können.
An der Auslassseite der Membranvorrichtung 10 ist eine weitere Einstellvorrichtung 12 vorgesehen. Diese ist vorzugsweise in Strömungsrichtung des Fluids vor dem nicht dargestellten retentatseitigen Auslass der Membranvorrichtung 10 angeordnet. Die zweite Einstellvorrichtung 12 ist entsprechend der ersten Einstellvorrichtung 12 ausgebildet.
Gemäß 4 ist die Membranvorrichtung 10 durch die Trennvorrichtung 16 beispielsweise in zwanzig Membranvorrichtungssegmente 18a, 18b, 18c ... aufgeteilt. Die Geometrie der Trennvorrichtung 16 kann entsprechend den Lastpunkten der Brennkraftmaschine und den benötigten Membranflächen angepasst werden. Hier sind beliebige geometrische Formen und Unterteilungen des Membranquerschnitts möglich. Das Material der Trennvorrichtung 16 wird anhand von Kriterien wie z. B. Gewichtsoptimierung, niedrige Kosten und gute Dichtungseigenschaften ausgewählt. Die Wandstärke der Trennvorrichtung 16 kann entsprechend den Lastpunkten der Brennkraftmaschine, beispielsweise im Hinblick auf den maximalen Betriebsdruck der Membranvorrichtung ausgelegt werden.
Jedem der Membranvorrichtungssegmente 18a, 18b, 18c ist gemäß 5 eine Durchlassausnehmung 28a, 28b, 28c usw. des ersten Einstellelements 12a zugeordnet. Somit können alle Segmente im Strukturgitter 16 unmittelbar vom Fluid angeströmt werden. Das erste Einstellelement 12a ist vorzugsweise als kreisrunde Platte ausgebildet und relativ zur Membranvorrichtung 10 nicht beweglich. Die Durchlassausnehmungen 28a, 28b, 28c sind bevorzugt derart ausgebildet, dass die Druckverluste minimiert werden aber dennoch eine Regelung der Membranvorrichtung durch die entsprechende Segmentierung des Membranquerschnitts gewährleistet ist.
Eine Frontansicht auf das zweite Einstellelement 12b ist in 6 dargestellt. Dieses ist vorzugsweise ebenfalls als eine kreisrunde Platte ausgebildet und weist drei Gruppen von verschieden großen zweiten Durchlassausnehmungen 30a, 30b, 30c auf. Die Breite b der Ausnehmungen 30a, 30b, 30c ist vorzugsweise gleich. Die verschieden großen Flächen der Ausnehmungen 30a, 30b, 30c ergeben sich durch ihre unterschiedlichen Längen l, wobei sich die Länge l der zweiten Durchlassausnehmung 30a, 30b, 30c, insbesondere entlang der Verschiebungs- oder Rotationsrichtung 32 des zweiten Einstellelements 12b relativ zum ersten Einstellelement 12a erstreckt. Alternativ können sämtliche zweite Durchlassausnehmungen 30a, 30b, 30c auch die gleiche Größe aufweisen, wobei eine Veränderung der Größe der Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird, durch die räumliche Anordnung der zweiten Durchlassausnehmungen 30a, 30b, 30c auf dem zweiten Einstellelement 12b relativ zu den ersten Durchlassausnehmungen 28a, 28b, 28c des ersten Einstellelements 12a erfolgt.
Wird das zweite Einstellelement 12b gemäß 6 in der dort dargestellten Position über das erste Einstellelement 12a gemäß der in 5 dargestellten Position gelegt, so sind sämtliche erste Durchlassausnehmungen 28a, 28b, 28c des ersten Einstellelements 12a mit Durchlassausnehmungen 30a, 30b, 30c des zweiten Einstellelements 12b fluidisch verbunden. Dies bedeutet, dass das Fluid von den ersten zu den zweiten Durchlassausnehmungen und umkehrt bewegbar ist. Diese Position kann der Ausgangsposition der Einstellvorrichtung 12 entsprechen, d. h. derjenigen Position, in der die Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird, nicht verkleinert wird. Es kann vorkommen, dass mehrere erste Durchlassausnehmungen 28a, 28b, 28c des ersten Einstellelements 12a mit ein und derselben zweiten Durchlassausnehmung 30a des zweiten Einstellelements 12b verbunden sind. Dies kann insbesondere bei den größeren Durchlassausnehmungen 30a des zweiten Einstellelements 12b vorkommen. Durch eine Drehbewegung des zweiten Einstellelements 12b relativ zum ersten Einstellelement 12a werden einzelne erste Durchlassausnehmungen 28a, 28b, 28c des ersten Einstellelements 12a vom zweiten Einstellelement 12b verschlossen. Somit kann das Fluid nicht mehr unmittelbar zu den Membranvorrichtungssegmenten 18a, 18b, 18c, die hinter diesen ersten Durchlassausnehmungen 28a, 28b, 28c liegen, gelangen. Die Membranfläche, der das Fluid insbesondere unmittelbar zugeführt wird, kann somit verändert werden.
Anstelle einer zylinderförmigen Membranvorrichtung kann auch eine quaderförmige Membranvorrichtung vorgesehen werden, wobei die Einstellvorrichtung und die Einstellelemente 12a, 12b hierbei rechteckig ausgebildet sein können. Anstelle einer rotatorischen Bewegung wird dann eine translatorische Bewegung des zweiten Einstellelements 12b gegenüber dem ersten Einstellelement 12a vorgesehen. Durch die erfindungsgemäße Einstellvorrichtung 12 ist es somit möglich, die Anzahl der angeströmten Hohlfasern einem jeweiligen Lastpunkt der Brennkraftmaschine anzupassen.
Die Bewegung des zweiten Einstellelements 12b wird über einen nicht dargestellten Antrieb realisiert, der eine möglichst schnelle Verschiebung gewährleistet. Vorzugsweise kann als Regelgröße der Ladedruck, beispielsweise eines Turboladers der Brennkraftmaschine herangezogen werden. Hierdurch ist es möglich, die benötigte Membranfläche festzustellen. Während der Drehbewegung ist es bevorzugt, dass die beiden Einstellelemente 12a, 12b keinen oder nur sehr wenig Kontakt haben, so dass einem Materialverschleiß entgegengewirkt werden kann. Nach einer Drehbewegung kann das zweite Einstellelement 12b entsprechend den Dichtigkeitsanforderungen an das darunter liegende erste Einstellelement 12a angepresst werden oder es können zusätzlichen Dichtungselemente verwendet werden, z. B. Rundschnurringe oder O-Ringe.
Gemäß den 7a–7f ist es möglich, mehrere Membranmodule 10 zu verwenden, die in einem gemeinsamen Gehäuse 34 untergebracht sind. Die Module 10 sind vorzugsweise parallel angeordnet. Analog zu der bisher beschriebenen Membranvorrichtung wird auf jedes der vier Module 10 gemäß 7b ein Strukturgitter 16 aufgebracht, das einen waagerecht und eine senkrecht verlaufende Trennvorrichtung 16a, 16b aufweist. Jedes Membranmodul 10 ist somit in vier Membranvorrichtungssegmente 18a, 18b, 18c, 18d aufgeteilt. Wird die Stirnfläche eines Moduls vollständig angeströmt, lässt sich das Strukturgitter in diesem Fall natürlich weglassen. Gemäß 7c weist jedes Membranmodul 10 ein erstes Einstellelement 12a mit vorzugsweise jeweils vier Durchlassausnehmungen 28a, 28b, 28c, 28d auf. Jede dieser Ausnehmungen ist jeweils einem Membranvorrichtungssegment 18a, 18b, 18c, 18d zugeordnet, wobei die Durchlassausnehmungen 28a, 28b, 28c, 28d unterschiedliche Größen aufweisen können. Über den vier ersten Einstellelementen 12a ist ein Gehäusedeckel 36 vorgesehen, der mehrere Ausnehmungen 40 aufweist. Jede der Ausnehmungen 40 ist mit jeweils einer Nut 38 an der Unterseite des Deckels 36 verbunden, wobei jede der Nuten 38 mit jeweils einer ersten Durchlassausnehmung 28a, 28b, 28c, 28d der vier ersten Einstellelemente 12a verbunden ist. Die einzelnen Strömungskanäle 38 werden gegeneinander abgedichtet, wobei die Strömungsverteilung im Hinblick auf minimale Druckverluste optimiert wird. Am Rand des Gehäusedeckels 36 ist eine umlaufende Dichtung 39 vorgesehen.
In 7e ist die Membranvorrichtung mit einem transparenten Gehäusedeckel 36 dargestellt, so dass ersichtlich ist, wie die einzelnen Ausnehmungen 40 im Gehäusedeckel 36 mit jeweils einer Durchlassausnehmung 28a, 28b, 28c, 28d verbunden sind. Auf dem Gehäusedeckel 36 wird im Bereich der Ausnehmungen 40 das zweite Einstellelement 12b angeordnet, das zweite Durchlassausnehmungen 30a, 30b, 30c, 30d aufweist. Diese weisen bevorzugt vier verschiedene Größen auf, wobei in der Ausgangsposition der Einstellvorrichtung 12 sämtliche Ausnehmungen 40 des Gehäusedeckels 36 mit Durchlassausnehmungen 30a, 30b, 30c, 30d des zweiten Einstellelements 12b fluidisch verbunden sind. Somit sind auch sämtliche erste Durchlassausnehmungen 28a, 28b, 28c, 28d der vier ersten Einstellelemente 12a mit den Ausnehmungen 30a, 30b, 30c, 30d des zweiten Einstellelements 12b verbunden. Durch eine Drehbewegung des zweiten Einstellelements 12b durch einen nicht dargestellten Antrieb können die Durchlassausnehmungen 28a, 28b, 28c, 28d einzeln oder in Gruppen verschlossen werden, so dass die Größe der Membranfläche, der das Fluid insbesondere unmittelbar zugeführt wird, verändert werden kann. Anstelle der hier dargestellten Drehscheibe als Einstellelement 12b sind weiterhin Platten mit beliebigen Geometrien denkbar. Die hier dargestellte Ausführungsform der Membranvorrichtung kann sämtliche Merkmale aufweisen, die in Verbindung mit der eingangs beschriebenen Membranvorrichtung genannt wurden.
In den 8–10 sind alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Membranvorrichtung 10 dargestellt. Im Unterschied zu den bisher dargestellten Ausführungsformen sind die Membranvorrichtung 10 und die Einstellvorrichtung 12 räumlich getrennt ausgebildet. Die Membranvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 34 auf, in dem mehrere Membranmodule 18a, 18b, 18c, 18d, die vorzugsweise unterschiedliche Größen aufweisen, untergebracht sind. Diese Membranmodule entsprechen in ihrer Funktion den Membranvorrichtungssegmenten 18a, 18b, 18c der bisher beschriebenen Membranvorrichtungen. Durch die Einstellvorrichtung 12 ist es möglich, diesen Membranmodulen 18a, 18b, 18c, 18d einzeln Fluid, insbesondere Ladeluft, zuzuführen. Hierzu weist jedes Membranmodul 18a, 18b, 18c, 18d einen Feed-Zuführanschluss 38a, 38b, 38c, 38d auf. Dieser ist jeweils über Feed-Zuführleitungen mit dem entsprechenden Anschluss 42a, 42b, 42c, 42d der Einstellvorrichtung 12 verbunden. Retentatseitig weist jedes Membranmodul 18a, 18b, 18c, 18d eine Auslassöffnung 40a, 40b, 40c, 40c auf, die über entsprechende Leitungen mit jeweils einer korrespondierenden Ausnehmung 44a, 44b, 44c, 44d der Einstellvorrichtung 12 verbunden ist. Die Einstellvorrichtung 12 weist ein Gehäuse 46 auf und ist über eine Trennwand 48 in zwei Gehäusehälften 46a, 46b aufgeteilt. Die Einstellvorrichtung 12 weist in der ersten Gehäusehälfte ein erstes Einstellelement 12a auf, das als statische Platte ausgebildet ist und dessen nicht sichtbare Durchlassausnehmungen mit den Ausnehmungen 42a, 42b, 42c, 42d fluidisch verbunden sind. Die statische Platte bildet das erste Einstellelement 12a. Unter diesem ist das zweite Einstellelement 12b als eine drehbare Platte ausgebildet. Dieses wird über eine Achse 50 angetrieben. Die Einstellvorrichtung 12 entspricht in ihrer Funktion den bisher beschriebenen Einstellvorrichtungen. Über den ersten Gehäuseteil 46a der Einstellvorrichtung 12 wird der Membranvorrichtung 10 ein Feed-Strom zugeführt, wobei einstellbar ist, welchem der Membranmodule 18a, 18b, 18c, 18d das Fluid zugeführt wird und wieviel Permeationsfläche zur Verfügung gestellt wird.
Über die gemeinsame Welle 50 wird auch das zweite Einstellelement 12b der unteren Einstellvorrichtung 12 angetrieben. Über die zweite Gehäusehälfte 46b der Einstellvorrichtung 12 wird das Retentat der Membranvorrichtung 10, nämlich die stickstoffangereicherte Ladeluft abgeführt und einer Brennkraftmaschine zugeführt.
Das Permeat wird über die Permeat-Abführleitung 20 der Membranvorrichtung 10 abgeführt. Die in 8 dargestellte Membranvorrichtung 10 arbeitet nach dem Dreiendprinzip.
Bei den Ausführungsformen gemäß den 8–10 ist es nicht notwendig, dass die Membranmodule 18a, 18b, 18c, 18d parallel zueinander angeordnet sind. Weiterhin können anstelle von Hohlfasermembranmodulen auch Wickel- oder andere Module verwendet werden. Es ist nicht notwendig, die Membranmodule 18a, 18b, 18c, 18d in ihrem Querschnitt zu segmentieren.
Die in 9 dargestellte Membranvorrichtung 10 arbeitet nach dem Vierendprinzip, wobei eine Sweep-Leitung 52 vorgesehen ist.
Gemäß 10 sind anstelle einer gemeinsamen Sweep-Leitung 52 vier einzelne Sweep-Zuführleitungen 52a, 52b, 52c, 52d und vier einzelne Sweep-Abführleitungen 54a, 54b, 54c, 54d vorgesehen. Die Membranmodule 18a, 18b, 18c, 18d sind über Trennvorrichtungen 16a, 16b, 16c, 16d fluidisch von einander getrennt, so dass sie in separat gedichteten Kammern angeordnet sind. Die Trennvorrichtungen 16a, 16b, 16c, 16d bewirken, dass der Sweepstrom mittelbar entlang der Permeationsflächen der durchströmten Membransegmente geführt wird und nicht den gesamten Gehäuseinnenraum einnimmt. Die Sweep-Zuführausnehmungen 52a, 52b, 52c, 52d sind über Sweep-Zuführleitungen mit entsprechenden Ausnehmungen 56a, 56b, 56c, 56d der Einstellvorrichtung 12 verbunden. Die Einstellvorrichtung 12 ist hierbei durch zwei Trennwände 48a, 48b in drei Gehäuseabschnitte 46a, 46b, 46c getrennt, wobei dem dritten Gehäuseabschnitt 46c, der vorzugsweise mittig angeordnet ist, über eine nicht dargestellte Leitung ein Sweep-Strom zugeführt wird. Dieser kann über die mittlere Einstellvorrichtung 12 jedem Membranmodul 18a, 18b, 18c, 18d einzeln zugeführt werden. Alle drei Einstellvorrichtungen 12 sind im gemeinsamen Gehäuse 46 angeordnet und werden über die gemeinsame Achse 50 angetrieben.

Durch die Ausführungsformen der Membranvorrichtung 10 gemäß den 8–10 ist es möglich, die einzelnen Membranmodule 18a, 18b, 18c, 18d je nach Lastpunkt der Brennkraftmaschine zu- und abzuschalten. Hierzu ist es bisher notwendig gewesen, pro Modul zwei Ventile vorzusehen, so dass eine Vielzahl von Ventilen notwendig wurde. Die Anzahl der erforderlichen Ventile für einen Sechs-Zylinder-Motor ist in der folgenden Tabelle dargestellt:

Lastpunkt		A25			A100
Membranmaterial	Fläche pro Membranmodul	Benötigte Fläche Membranfläche pro Zylinder	Benötigte Gesamtfläche (6 Zylinder)	Anzahl benötigter Module	Benötigte Membranfläche pro Zylinder	Benötigte Gesamtfläche (6 Zylinder)	Anzahl benötigter Module	Anzahl Ventile insgesamt
	m²	m²	m²		m²	m²
PDMS	50	335	2010	40	24	144	2,9	80
PDMS	100	335	2010	20	24	144	1,4	40
PDMS	200	335	2010	10	24	144	0,7	20
PDMS	300	335	2010	7	24	144	0,5	13
PPO	50	1491	8946	179	96	576	11,5	358
PPO	100	1491	8946	89	96	576	5,8	179
PPO	200	1491	8946	45	96	576	2,9	89
PPO	300	1491	8946	30	96	576	1,9	60

Die Einstellvorrichtung 12, die in den 8–10 dargestellt ist, kann mit konventionellen Membranmodulen, beispielsweise nach dem Prinzip eines Multi-cardridge-Housing eingesetzt werden. Erfindungsgemäß ist es daher möglich, eine Anpassung der Membranvorrichtung an verschiedene Randbedingungen, insbesondere an die Betriebszustände einer Brennkraftmaschine, durch Verändern der Größe der Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird, vorzunehmen. Dies kann durch Anpassung der Fläche durch eine Einstellvorrichtung 12, die als Aufsatz ausgebildet ist (siehe 3–7) oder durch Zu- und Abschalten einzelner Membranmodule durch eine separate Einstellvorrichtung 12 (siehe 8–10) geschehen. 10 zeigt die Verwendung der Einstellvorrichtung als Möglichkeit der mittelbaren Fluidzufuhr an die Membransegmente als Sweepstrom.
Eine alternative Ausführungsform der Einstellvorrichtung 12 ist in den 11a und 11b dargestellt. Das erste und zweite Einstellelement 12a, 12b sind hierbei als konzentrische Rohre ausgebildet. In der in 11b dargestellten Ausführungsform weist das in radialer Richtung außen angeordnete zweite Einstellelement 12b acht in einer Reihe untereinander angeordnete zweite Durchlassausnehmungen 30a, 30b, 30c, 30d ... auf. Das in radialer Richtung innen liegende erste Einstellelement 12a weist ebenfalls acht erste Durchlassausnehmungen 28a, 28b, 28c, 28d ... auf, wobei diese Ausnehmungen in Umfangsrichtung länglich ausgebildet sind und unterschiedliche Längen aufweisen.
In der Ausgangsposition der Einstellvorrichtung 12, d. h. in der Position, in der die Membranfläche der das Fluid zugeführt wird, nicht verändert wird, befinden sich die ersten und zweiten Durchlassausnehmungen in der Position P1 gemäß 11a, so dass sämtliche erste Durchlassausnehmungen 28a, 28b, 28c, 28d mit zweiten Durchlassausnehmungen 30a, 30b, 30c, 30d verbunden sind. Ausgehend von der Position P1 wird bei den Positionen P2, P3 und P4 durch eine Rotation des zweiten Einstellelements 12b gegenüber dem ersten Einstellelement 12a jeweils eine erste Durchlassausnehmung 28a, 28b, 28c, 28d des ersten Einstellelements 12a durch das zweite Einstellelement 12b verschlossen. Hierbei können das erste und/oder das zweite Einstellelement drehbar sein. Die ersten Durchlassausnehmungen 28a, 28b, 28c, 28d des ersten Einstellelements 12a sind über nicht dargestellte Leitungen feedseitig und retentatseitig mit der Membranvorrichtung 10 verbunden. Die Einstellvorrichtung 12 ist ebenfalls durch eine Trennwand 48 in zwei Gehäusehälften 46a, 46b aufgeteilt und entspricht im übrigen der Funktion der in den 8–10 dargestellten Einstellvorrichtungen.
Die prinzipielle Einbindung einer erfindungsgemäßen Membranvorrichtung in die Ansaugvorrichtung einer Brennkraftmaschine ist in den 12a und 12b dargestellt. 12a stellt hierbei einen Dreiendbetrieb mit optionalem permeatseitigen Vakuum dar, während gemäß 12b ein Vierendbetrieb mit Sweep-Leitung vorgesehen ist. Neben der Membranvorrichtung 10 ist die Brennkraftmaschine 58 dargestellt, die über den retentatseitigen Auslass 22 mit der Membranvorrichtung 10 verbunden ist. Der Membranvorrichtung wird über den feedseitigen Einlass 19 Luft zugeführt, die vom Turbolader 60 verdichtet und von der Kühlvorrichtung 62 gekühlt wird. Permeatseitig ist gemäß 12a die Membranvorrichtung 10 über den Anschluss 20 mit einer Vakuumpumpe 64 verbunden. Gemäß 12b wird der Membranvorrichtung 10 über eine Leitung 52 ein Sweep-Strom zuführt, wobei das Permeat über den Auslass 20 abgeführt wird.
Eine alternative Einrichtung, die als Antrieb für die Einstellvorrichtung 12 verwendet werden kann, ist in 13 dargestellt. Hierbei werden Druck- und/oder Strömungskräfte zur Bewegung des zweiten Einstellelements 12b relativ zum ersten Einstellelement 12a genutzt. Beispielsweise kann hierzu der Staudruck der Feedluft verwendet werden, der auf einem durch eine Feder 82 belasteten Zylinder 80 wirkt. Der Antrieb des zweiten Einstellelements 12b kann hierbei über ein Zahnradelement 84 erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19943132 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „M. Ajhar, et al., Membranes producing nitrogen-enriched combustion air in diesel engines: Assessment via dimensionless numbers, J. Membr. Sci. (2008), doi: 10.1016/j.memsci.2008.06.007” [0013]
- „Cutting Nox from Diesel Engines with Membrane Generated Nitrogen Enriched Air (DJS Aug 24, 2005 von Don Stookey, Stuart Nemser and John Bowser, www.compactmembrane.com)” [0013]

Claims

Membranvorrichtung zum Filtern und/oder Anreichern eines ersten Bestandteils aus einem Fluid, mit einer Membranfläche, die für den zu filternden ersten Bestandteil des Fluids im wesentlichen permeabel ist, gekennzeichnet durch eine Einstellvorrichtung (12), zum Verändern der Größe der Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird.
Membranvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfläche mehrere Membranflächenteile aufweist.
Membranvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranvorrichtung insbesondere an einer durch das Fluid angeströmten Stirnseite (14) durch insbesondere fluiddichte Trennvorrichtungen (16a, 16b, 16c) in mehrere Membranvorrichtungssegmente (18a, 18b, 18c) unterteilt ist.
Membranvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Membranvorrichtungssegment (18a, 18b, 18c) ein Membranflächenteil zugeordnet ist.
Membranvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung (12) derart ausgebildet ist, dass das Fluid wenigstens einem oder mehreren Membranvorrichtungssegmenten (18a, 18b, 18c) zuführbar ist.
Membranvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Membranflächenteil und/oder jedes Membranvorrichtungssegment (18a, 18b, 18c) mittelbar und/oder unmittelbar mit jeweils einem permeat- und einem retentatseitigen Auslass (20, 22) fluidisch verbunden ist.
Membranvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe einer Anströmfläche (24) der Membranvorrichtung (10) die von dem Fluid insbesondere an der Stirnseite (14) der Membranvorrichtung (10) angeströmt wird, in der Ausgangsposition der Einstellvorrichtung (12) im Wesentlichen der Querschnittsfläche der Membranvorrichtung (10) entspricht, wobei durch Einstellen der Einstellvorrichtung (12) die Größe der Anströmfläche (24) der Membranvorrichtung (10) verringerbar ist.
Membranvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung (12) ein erstes und zweites Einstellelement (12a, 12b) aufweist, die relativ zueinander verschiebbar und/oder drehbar sind.
Membranvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Einstellelement (12a) mehrere erste Durchlassausnehmungen (28a, 28b, 28c) aufweist, die insbesondere mit mindestens jeweils einem Membranflächenteil und/oder mit einem Membranvorrichtungssegment (18a, 18b, 18c) fluidisch verbunden sind.
Membranvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede erste Durchlassausnehmung (28a, 28b, 28c) genau mit einem Membranflächenteil und/oder Membranvorrichtungssegment (18a, 18b, 18c) verbunden ist, und von den übrigen Membranflächenteilen und/oder Membransegmenten (18a, 18b, 18c) fluidisch getrennt ist.
Membranvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Einstellelement (12b) wenigstens eine insbesondere mehrere zweite Durchlassausnehmungen (30a, 30b, 30c) aufweist, die in der Ausgangsposition der Einstellvorrichtung (12) fluidisch mit allen ersten Durchlassausnehmungen (28a, 28b, 28c) des ersten Einstellelements (12a) verbunden sind und insbesondere mit diesen fluchten.
Membranvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Verschieben und/oder Drehen des zweiten Einstellelements (12b) relativ zum ersten Einstellelement (12a) die Anzahl der ersten Durchlassausnehmungen (28a, 28b, 28c) des ersten Einstellelements (12a), die fluidisch mit zweiten Durchlassausnehmungen (30a, 30b, 30c) des zweiten Einstellelements (12b) verbunden sind, verringerbar bzw. erhöhbar ist.
Membranvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Verschieben und/oder Drehen des zweiten Einstellelements (12b) relativ zum ersten Einstellelement (12a) eine oder mehrere Durchlassausnehmungen (28a, 28b, 28c) des ersten Einstellelements (12a) durch das zweite Einstellelement (12b) verschließbar sind.
Membranvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Durchlassausnehmungen (28a, 28b, 28c; 30a, 30b, 30c) derart angeordnet sind, dass durch ein Verschieben und/oder Drehen des zweiten Einstellelements (12b) relativ zum ersten Einstellelement (12a) die Anzahl der ersten Durchlassausnehmungen (28a, 28b, 28c), die mit zweiten Durchlassausnehmungen (30a, 30b, 30c) fluidisch verbunden sind, schrittweise um eine Durchlassausnehmung veränderbar ist.
Membranvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Durchlassausnehmungen (30a, 30b, 30c) des zweiten Einstellelements (12b) mindestens zwei, bevorzugt drei, und besonders bevorzugt vier verschieden große Flächeninhalte aufweisen.
Membranvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Durchlassausnehmungen (30a, 30b, 30c) eine im Wesentlichen gleiche Breite (b) aufweisen, wobei die verschiedenen Flächen durch unterschiedliche Längen (l) der zweiten Durchlassausnehmungen (30a, 30b, 30c) entstehen, wobei sich die Länge (l) der zweiten Durchlassausnehmungen (30a, 30b, 30c) insbesondere entlang der Verschiebungs- oder Rotationsrichtung (32) des zweiten Einstellelements (12b) relativ zum ersten Einstellelement (12a) erstreckt.
Membranvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung (12) als Querschnittsveränderungs-Vorrichtung ausgebildet ist, die insbesondere nach dem Prinzip einer Blende ausgebildet ist und die Permeationsfläche stufenlos verändert.
Ansaugvorrichtung für eine, insbesondere durch einen Verdichter aufgeladene Brennkraftmaschine, mit einer Membranvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, zum Zuführen von stickstoffangereicherter Luft an die Brennkraftmaschine durch Herausfiltern von Sauerstoff aus der der Brennkraftmaschine zuführbaren Luft.
Ansaugvorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung zum Steuern eines Antrieb, zum Einstellen der Einstellvorrichtung (12) in Abhängigkeit des Lastzustandes der Brennkraftmaschine.
Verwendung einer Membranvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, zum Zuführen von stickstoffangereicherter Luft an eine Brennkraftmaschine durch Herausfiltern von Sauerstoff aus der der Brennkraftmaschine zuführbaren Luft.
Verfahren zum Filtern eines ersten Bestandteils aus einem Fluid mit den Schritten: – Zuführen des Fluids zu einer Membranfläche, die für den ersten Bestandteil des Fluids im Wesentlichen permeabel ist, gekennzeichnet durch den Schritt: – Verändern der Größe der Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird, durch eine Einstelleinrichtung (12) ausgehend von der Maximalgröße oder Minimalgröße der Membranfläche verringert oder erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid Luft ist und der erste Bestanteil Sauerstoff ist, wobei der Sauerstoff aus der Luft gefiltert wird, die einer Brennkraftmaschine zugeführt wird, wobei die Größe der Membranfläche, der das Fluid zugeführt wird, je nach Lastzustand der Brennkraftmaschine, insbesondere in Abhängigkeit des Ladedrucks eines Verdichters der Brennkraftmaschine angepasst wird.