DE102013000596A1

DE102013000596A1 - Kraftstoffzentrifuge

Info

Publication number: DE102013000596A1
Application number: DE201310000596
Authority: DE
Inventors: Markus Kalenborn
Original assignee: LOrange GmbH
Current assignee: Woodward LOrange GmbH
Priority date: 2013-01-16
Filing date: 2013-01-16
Publication date: 2014-07-17

Abstract

Kraftstoffzentrifuge (1) aufweisend: – ein Rotorgehäuse (21) mit einem darin gebildeten, radial außenliegenden und sich in Rotationsrichtung um das Rotorgehäuse (21) erstreckenden Sammelreservoir (33) für aus dem Kraftstoff abzuscheidendes Wasser; – eine Abfuhreinrichtung (47) für Gas, insbesondere freie Luft, welche sich radial innenliegend von einer Stirnseite (11) des Rotorgehäuses (21) in das Rotorgehäuse (21) erstreckt, insbesondere zentral.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffzentrifuge, insbesondere für Dieselkraftstoff gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Kraftstoffzentrifuge ist mit einem Kraftstoffaufbereitungssystem verwendbar.
Bei Verwendung eines Kraftstoffinjektors mit hochdruckbeaufschlagtem Kraftstoff kann ein hoher Gehalt an gelöster oder freier Luft im Kraftstoff, ebenso das Vorhandensein von Wasser, bei der Entspannung des Kraftstoffs im Injektor Kavitation hervorrufen, wobei sich in der Vorstufe zur Kavitation zunächst Gasblasen aus Kraftstoff und Wasser bilden. Die Blasen bilden heterogene Keime, welche die Kavitation fördern. Gefährdete Bauteile sind das Pilotventil, der Düsennadelsitz sowie die Spritzlöcher. Hochdruckpumpen mit Saugventilen können ebenso von Kavitation betroffen sein.
Zur Abscheidung von Wasser aus Kraftstoff kann generell ein Separator, z. B. in Form eines Zyklons, genutzt werden. Daneben schlägt die Druckschrift DE 10 2007 016 943 B4 vor, einen solchen Separator alternativ zur Entgasung von Kraftstoff zu verwenden.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffzentrifuge bereitzustellen, welche kombiniert Entgasung und Wasserabscheidung ermöglicht, wobei die Zentrifuge vorteilhaft einfach und robust aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Kraftstoffzentrifuge mit einem Rotorgehäuse, in welchem ein radial außenliegendes, sich in Rotationsrichtung um das Rotorgehäuse erstreckendes Sammelreservoir für aus dem Kraftstoff abzuscheidendes Wasser gebildet ist, wobei die Zentrifuge weiterhin eine Abfuhreinrichtung für Gas, insbesondere freie Luft, umfasst, welche sich radial innenliegend von einer (ersten) Stirnseite des Rotorgehäuses in das Gehäuse erstreckt, insbesondere zentral. Die derart gebildete Kraftstoffzentrifuge ermöglicht auf einfache Weise eine Abfuhr von Gas (aus dem Kraftstoff), welches sich bei Betrieb der Zentrifuge im Bereich der Drehachse sammelt, sowie die Abscheidung und Ansammlung von Wasser (aus dem Kraftstoff) in einem randseitigen Reservoir, welches aufgrund der vorteilhaften Positionierung mühelos entleerbar ist.
Bevorzugt weist die Zentrifuge weiterhin einen Auslass aus dem Rotorgehäuse auf, welcher radial zwischen dem außenliegenden Sammelreservoir und der innenliegenden Abfuhreinrichtung angeordnet ist. Hierdurch kann Kraftstoff mit hoher Aufbereitungsgüte auf einfache Weise abgegeben werden. Der Auslass ist bevorzugt an einer weiteren (zweiten) Stirnseite des Rotorgehäuses gebildet.
Für eine einfache Herstellung der Kraftstoffzentrifuge kann das Sammelreservoir mittels einer Querschnittsaufweitung und einer Querschnittsverjüngung des Rotorgehäuses gebildet sein.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Kraftstoffzentrifuge ist die Abfuhreinrichtung durch einen insbesondere feststehenden Lagerzapfen des Rotorgehäuses geführt, bevorzugt durch diesen auch gebildet. Dies ermöglicht eine problemlose Gasableitung aus der Zentrifuge sowie eine gleichzeitig stabile Lagerung des Rotorgehäuses. Der Lagerzapfen ist bevorzugt der (ersten) Einlass(stirn)seite des Rotorgehäuses zugeordnet.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Kraftstoffzentrifuge eine Kraftstoffzufuhreinrichtung aufweist, welche sich radial innenliegend von der (ersten) Stirnseite des Gehäuses in das Gehäuse erstreckt, insbesondere zentral. Besonders bevorzugt ist auch die Kraftstoffzufuhreinrichtung durch einen Lagerzapfen des Gehäuses geführt oder bevorzugt durch diesen gebildet, insbesondere durch den Lagerzapfen, an welchem auch die Gasabfuhreinrichtung bereitgestellt ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Lagerzapfen weiterhin insbesondere ein Prallelement aufweist. Dies kann dazu dienen, den Kraftstoff bei Eintritt in die Zentrifuge innerhalb derselben allseitig zu verteilen.
Gemäß noch weiteren bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kraftstoffzentrifuge ist eine Mündung der Abfuhreinrichtung, insbesondere sämtliche, durch ein (mit dem Rotorgehäuse) mitrotierbares Element gegen Eindringen von Kraftstoff (aus dem Inneren der Zentrifuge) geschützt, insbesondere je durch einen Käfig oder ein Sperrlabyrinth. Dies ermöglicht, dass potentiell in die Mündung eintretender Kraftstoff abgeschleudert werden kann.
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin bevorzugt, dass die Kraftstoffzentrifuge eine erste Kammer aufweist, in welcher das Sammelreservoir gebildet ist und in welche sich die Gas-Abfuhreinrichtung mit einer Mündung erstreckt. Die erste Kammer kann bevorzugt Längsrippen zur Minimierung eines Verzugs der Kraftstoffmitnahme aufweisen.
Weiterhin kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Kraftstoffzentrifuge eine zweite, der ersten Kammer in Durchströmrichtung der Zentrifuge nachgeordnete Kammer aufweist, in welcher der Kraftstoff von radial außenliegenden Positionen hin zu radial innenliegenden Positionen entlang des Strömungswegs zu einem Auslass gezwungen wird, insbesondere abwechselnd, wobei sich die Abfuhreinrichtung radial innenliegend mit einer Mündung bevorzugt auch in die zweite Kammer erstreckt. Hierbei kann die zweite Kammer Längsrippen und zentral geöffnete Querrippen sowie Kommunikationsöffnungen aufweisen, um den Kraftstoff zwischen radial außenliegenden und radial innenliegenden Positionen durch die zweite Kammer zu führen, insbesondere mäandrierend.
Vorzugsweise weist die Zentrifuge ferner eine dritte Kammer auf, welche in Durchströmrichtung der zweiten Kammer nachgeordnet ist, wobei die dritte Kammer zur Beruhigung der Strömung vorgesehen ist, insbesondere den Zentrifugenauslass aufweist. Bei bevorzugten Ausführungsformen kann die erste Kammer mit der zweiten oder mit der zweiten und dritten Kammer über radial außen liegende Bohrungen in jeweils einer benachbarte Kammern trennenden Wand kommunizieren.
Die Kraftstoffzentrifuge kann mit einem Kraftstoffaufbereitungssystem verwendet werden. Vorzugsweise kann der Zentrifuge im Kraftstoffaufbereitungssystem eine Ultraschallentgasungseinheit vorgeschaltet sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 exemplarisch und schematisch eine Schnittansicht der Kraftstoffzentrifuge gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung mit Puffertank und Antriebseinheit;
2 exemplarisch und schematisch eine Außenansicht des Rotorgehäuses der Kraftstoffzentrifuge gemäß 1;
3 exemplarisch und schematisch eine Schnittansicht des Rotors der Kraftstoffzentrifuge gemäß 1 und 2;
4 exemplarisch und schematisch eine weitere Schnittansicht des Rotors gemäß 1 bis 3 und 4a ein Detail aus 4;
5 exemplarisch und schematisch noch eine weitere Schnittansicht des Rotors gemäß 1 bis 4;
6 exemplarisch und schematisch eine Schnittansicht des Rotors, in welcher Füllstände der Zentrifuge gemäß 1 bis 5 markiert sind;
7 exemplarisch und schematisch ein Kraftstoffsystem sowie ein Kraftstoffaufbereitungssystem mit einer Kraftstoffzentrifuge gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung; und
8 und 8a exemplarisch und schematisch je eine Schnittansicht einer Ultraschallentgasungseinheit eines Kraftstoffaufbereitungssystems gemäß 7.
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
Die 1 bis 6 zeigen Ansichten einer Kraftstoffzentrifuge 1, welche mit einem Kraftstoffaufbereitungssystem 3, insbesondere gemäß 7, verwendbar ist. Die Zentrifuge 1 ist dazu vorgesehen, Gas (Luft), insbesondere freie Luft und Wasser, insbesondere freies Wasser aus dem Kraftstoff zu trennen, welch letzterer insbesondere Dieselkraftstoff sein kann. Kraftstoff, in welchem das gebundene Wasser bzw. die gebundene Luft in freies Wasser bzw. freie Luft umgewandelt ist, kann zum Beispiel mittels Ultraschall-Vorbehandlung bereitgestellt werden. Die Zentrifuge 1 kann mit einem Kraftfahrzeug verwendet werden, zum Beispiel einem Schiff oder einem Nutzkraftwagen, zum Beispiel auch mit einer stationären Anlage wie einem Blockheizkraftwerk.
Die Kraftstoffzentrifuge 1, s. z. B. 1, weist bevorzugt ein Gehäuse 5 bzw. eine Ummantelung auf, welche(s) einen Rotor 7 der Kraftstoffzentrifuge 1 aufnimmt bzw. umgibt. Das Gehäuse 5 kann dazu vorgesehen werden, Spritzleckage aufzufangen, und zum Beispiel einen Auslass 9 aufweisen, um Leckage abführen zu können, zum Beispiel schwerkraftunterstützt. Weiterhin kann das Gehäuse 5 zur Lagerung des Rotors 7 vorgesehen sein.
Bevorzugt kann der Rotor 7 an einer ersten Stirnseite 11 (Einlassstirnseite) an einem Lagerzapfen 13 gelagert sein, welch Lagerzapfen 13 zum Beispiel an dem Gehäuse 5 bzw. einer Wand des Gehäuses 5 abgestützt ist. Alternativ kann eine separate Lageranordnung vorgesehen sein. Der Lagerzapfen 13 ist bevorzugt feststehend bereitgestellt, während der Rotor 7 am Lagerzapfen 13 bevorzugt rotierbar gelagert ist. Die Lagerung des Rotors 7 am Zapfen 13 kann zum Beispiel durch Gleitlagerbuchsen oder abgedichtete Wälzlager erfolgen, wobei der Lagerzapfen 13 über eine Durchtrittsöffnung 19 an der ersten Stirnseite 11 in das Rotorgehäuse 21 geführt kann, z. B. 1 und 3.
Weiterhin bevorzugt kann der Rotor 7 an einer zweiten Stirnseite 23 (Auslassstirnseite) einen Lagerzapfen 25 aufweisen, welcher bevorzugt integral mit dem Rotorgehäuse 21 gebildet ist (drehfest). Zur Lagerung kann wiederum ein Gleit- oder Wälzlager vorgesehen sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen kann der Lagerzapfen 25 zur insbesondere direkten Verbindung mit einer Antriebseinheit 27 vorgesehen sein, weiterhin insbesondere derart, dass die Antriebseinheit 27 die Lagerung des Rotors 7 über den Lagerzapfen 25 mit übernimmt, s. a. 1. Alternativ kann eine separate Lagervorrichtung für den Lagerzapfen 25 vorgesehen sein. Als Antriebseinheit 27 kann z. B. ein Elektromotor dienen, zum Beispiel auch ein Riementrieb.
Das – über die Zapfen 13, 25 – drehgelagerte Rotorgehäuse 21 definiert einen Innenraum 29, in welchen der zu entgasende und von Wasser zu trennende Kraftstoff einbringbar ist (nachfolgend noch näher erläutert). Das Rotorgehäuse 21 kann im Wesentlichen rotationssymmetrisch gebildet sein, wobei es von dem Einlassende 11 hin zu dem Auslassende 23 über einen Abschnitt 31 trichterförmig verjüngt sein kann, z. B. 1. Das Rotorgehäuse 21 als auch der Rotor 7 können (einteilig) als Blech-Schweißkonstruktion gefertigt sein, alternativ zum Beispiel auch als Konstruktion aus Aluminium oder Kunststoff, insbesondere wenn der Rotor einen nur geringen Durchmesser aufweist.
Erfindungsgemäß ist in dem Rotorgehäuse 21 ein radial außenliegendes und sich in Rotationsrichtung (Umfangsrichtung) um das Rotorgehäuse 21 erstreckendes Sammelreservoir 33 für aus dem Kraftstoff abzuscheidendes Wasser gebildet. Das – insbesondere ringförmige – Sammelreservoir 33 kann bevorzugt durch geeignete Formung des Rotorgehäuses 21 gebildet sein, insbesondere insoweit auch integral mit diesem, insbesondere in Form einer umlaufenden Ausbauchung (der Gehäusewand). Das Sammelreservoir 33 erstreckt sich bevorzugt ununterbrochen und insbesondere auch vollumfänglich um den Umfang des Rotorgehäuses 21 herum. Das Sammelreservoir 33 ermöglicht das Ansammeln von abgeschiedenem Wasser (auch Feststoffe bzw. in Schwebe gehaltene Partikel) und dessen einfache Entfernung aus dem Innenraum 29.
Das Sammelreservoir 33 kann allgemein besonders einfach und bevorzugt mittels einer Querschnittsaufweitung (in axialer Richtung) 35, insbesondere ausgehend von dem Einlassende 11, und einer nachfolgenden Querschnittsverjüngung (in axialer Richtung) des Rotorgehäuses 21 gebildet sein, zum Beispiel Abschnitt 31. Mit der das Sammelreservoir 33 – im Innenraum 29 – bildenden Ausbauchung aus Querschnittsaufweitung 35 und Querschnittsverjüngung 31 (bevorzugt trichter- bzw. V-förmiger Querschnitt der Ausbauchung) ist vorteilhaft einerseits das Ansammeln von Wasser (und Feststoffen bzw. Schwebeteilchen) und andererseits das einfache, insbesondere schwerkraftunterstützte Entleeren des Sammelreservoirs 33 ermöglicht.
Zur Einbringung von Kraftstoff in das Rotorgehäuse 21 weist die Kraftstoffzentrifuge 1 eine einlassseitige, Bz. 11, Kraftstoffzufuhrvorrichtung 39 auf, welche vorteilhaft einfach und robust mittels des Lagerzapfens 13 gebildet sein kann. Hierzu kann der Lagerzapfen 13 eine Axialbohrung 41 aufweisen, welche in den Innenraum 29 mündet, Bz. 43. Eine über die Mündung 43 anströmbare Prallplatte 45, welche an dem – insbesondere verlängerten Lagerzapfen 13 – aufgenommen sein kann, ermöglicht z. B., den Kraftstoff auf einfache Weise allseitig verteilen zu können.
Erfindungsgemäß umfasst die Kraftstoffzentrifuge 1 weiterhin eine Abfuhreinrichtung 47 für Gas, insbesondere (freie) Luft, welche sich radial innenliegend von einer Stirnseite, insbesondere der Stirnseite 11 (Einlassseite) des Rotorgehäuses 21 in das Rotorgehäuse 21 erstreckt (in dessen Innenraum 29), insbesondere zentral. Die Abfuhreinrichtung 47 kann bevorzugt mit (geringem) Unterdruck beaufschlagt sein, um das Ableiten von freier Luft aus dem Innenraum 29 zu forcieren. Bevorzugt kann die Abfuhreinrichtung 47 – wie auch die Kraftstoffzufuhrvorrichtung 39 – mittels des Lagers bzw. Zapfens 13 ausgeführt sein.
Bei einer bevorzugten einfachen und robusten Ausgestaltung der Kraftstoffzentrifuge 1 ist vorgesehen, die Abfuhreinrichtung 47 mittels eines Kanals 49 zu bilden, welcher durch den – verlängerten – Lagerzapfen 13 in den Innenraum 29 geführt ist und dort wenigstens eine Ausmündung 51 aufweist.
Die erfindungsgemäße Kraftstoffzentrifuge 1 umfassend das erfindungsgemäße Sammelreservoir 33 und die erfindungsgemäße Abfuhreinrichtung 47 ermöglicht auf vorteilhaft einfache Weise die Abtrennung zweier Stoffe (Wasser/Luft) aus dem Kraftstoff, wobei der Kraftstoff weder die höchste noch die geringste Dichte aufweist. Für eine besonders einfache Abgabe von Kraftstoff zuverlässig von Wasser und Gas getrennter Qualität kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass die Zentrifuge 1 einen Auslass 53 aus dem Rotorgehäuse 21 aufweist (Stirnseite 23), welcher radial zwischen dem radial außenliegenden Sammelreservoir 33 und der radial innenliegenden Abfuhreinrichtung 45 angeordnet ist, z. B. 1.
Die Kraftstoffzentrifuge 1 kann bei bevorzugten Ausführungsformen eine erste Kammer 55 aufweisen, welche benachbart zur Einlassseite 11 gebildet ist. Die erste Kammer 55 weist bevorzugt über den Rotorumfang verteilte Längsrippen 57 auf, welche geeignet sind, den über die Zufuhrvorrichtung 39 (mit Prallplatte 45) eingebrachten Kraftstoff verzugsarm mitzunehmen (Zentrifugalwirkung). Die Längsrippen 57 erstrecken sich bevorzugt über die gesamte axiale Abmessung der Kammer 55, in radialer Richtung z. B. von außenliegenden Radialpositionen am Rotorgehäuse 21 hin zu radial weiter innenliegenden Positionen (unter Beibehaltung eines Abstands zur axialen Drehachse, s. z. B. 2). Die Rippen 57 unterteilen die erste Kammer 55 insoweit in Rippensektionen A, B, C ....
Die erste Kammer 55, welche bevorzugt das umlaufende Sammelreservoir 33 bildet, ist insbesondere derart ausgestaltet, dass zwischen den Längsrippen 57 und dem Rotorgehäuse 21 je ein Radialspalt 59 gebildet ist, über welche Radialspalte 59 eine Kommunikation der Längssektionen A, B, C, ... ermöglicht ist, z. B. 4 und 4a. Hierdurch kann sich abgeschiedenes Wasser – bei ausgesetztem Betrieb – bodenseitig sammeln und eine Entleerung des Reservoirs 33 gelingt schwerkraftunterstützt.
Die in der ersten Kammer 55, welche zur Grobabscheidung/Entgasung vorgesehen sein kann, angeordnete Entgasungs-Mündung 43 ist bevorzugt gegen Eindringen von Kraftstoff seitens der ersten Kammer 55 geschützt. Hierzu kann – unter vorteilhafter Ausnutzung der Zentrifugalwirkung ein mit dem Rotor 7 bzw. dem Rotorgehäuse 21 mitrotierbares (Ring-)Sperrelement 61 um die Mündung 51 vorgesehen sein – z. B. ein Käfigelement 61 oder alternativ z. B. ein Sperrgitter oder ein Sperrlabyrinth – welches gasdurchlässig ausgeführt ist und mittels welchem Kraftstoff (z. B. als Nebel) bei Annäherung an die Mündung 51 abgeschleudert wird. Das Sperrelement 61 ist bevorzugt Bestandteil der Abfuhreinheit 47.
Die Kraftstoffzentrifuge 1 kann weiterhin eine zweite Kammer 63 aufweisen, welche zur Auslassseite 23 hin zur ersten Kammer 55 benachbart ist. Der Querschnitt der zweiten Kammer 63 kann sich zur Auslassseite 23 hin kontinuierlich verjüngen (innerhalb Abschnitt 31). Wie die erste Kammer 55 weist bevorzugt auch die zweite Kammer Längsrippen 65 auf, welche insbesondere mit den Längsrippen 57 fluchten und Rippensektionen A, B, C, ... über den Umfang des Rotorgehäuses 21 bilden, welche mit denen der ersten Kammer 55 korrespondieren. Die Rippen 65 erstrecken sich vorzugsweise je über die gesamte Axialabmessung der zweiten Kammer 63, z. B. 5.
Bevorzugt sind die erste Kammer 55 und die zweite Kammer 63 über eine Trennwand 67 (in einer Radialebene) getrennt, wobei in der Trennwand 67 Verbindungsbohrungen 69 über den Umfang der Trennwand 67 verteilt gebildet sind, welche eine Kraftstoffströmung aus der ersten 55 in die zweite 63 Kammer ermöglichen, insbesondere ausschließlich.
Die Verbindungsbohrungen 69 sind bevorzugt derart angeordnet, dass der über die Verbindungsbohrungen 69 von der ersten 55 in die zweite 63 Kammer gelangende Kraftstoff in derselben Rippen(längs)sektion A, B, C, ... verbleibt. Die Radialposition einer jeweiligen Verbindungsbohrung 69 ist hierbei bevorzugt hinreichend weit außenliegend, so dass weitgehend gasfreier (luftfreier) Kraftstoff in die zweite Kammer 63 überführbar ist, jedoch auch hinreichend weit innenliegend, so dass das umfangsseitige Sammelreservoir 33 ein ausreichend großes Volumen aufweist bzw. nicht über die Verbindungsbohrungen 69 in unbeabsichtigter Weise entleert werden kann (und/oder Schmutz durch die Bohrungen 69 gelangen kann). Eine mögliche Anordnung sieht die Bildung von Bohrungen 69 mit geringem Abstand zur Umfangswand des Rotorgehäuses 21 vor, s. z. B. 1, d. h. radial innenliegend zum Reservoir 33 benachbart.
Die zweite Kammer 63 kann bevorzugt wenigstens eine, insbesondere eine Mehrzahl von Zwischenwänden 71 aufweisen, z. B. drei Zwischenwände 71a, b, c (Querrippen), mittels welcher der Kraftstoff von radial außenliegenden Positionen hin zu radial innenliegenden Positionen entlang des Strömungswegs durch die zweite Kammer 63 gezwungen wird, s. a. 6.
Die Zwischenwände 71a, b, c sind bevorzugt mit Axialabstand und je zentraler Öffnung 73a, b, c nebeneinander (sich je in einer Radialebene erstreckend) in der zweiten Kammer 63, welche zur Feinabscheidung (Wasser, Schmutz)/Entgasung vorgesehen sein kann, angeordnet. Die Zwischenwände 71a, b, c sind bevorzugt derart konfiguriert, dass in Richtung von der Einlassseite 11 zur Auslassseite 23 zunächst die Zwischenwand 71a mit einer zentralen Öffnung 73a relativ großen Durchmessers d1, nachfolgend die Zwischenwand 71b mit einer zentralen Öffnung 73b gegenüber dem Durchmesser d1 verringerten Durchmessers d2 und nachfolgend wiederum die Zwischenwand 71c mit einer zentralen Öffnung 73c mit einem wiederum relativ großen Durchmesser d₁ bereitgestellt ist, s. a. 6. Die Durchmesser d1 sind derart bemessen, dass eine Kraftstoff-Durchströmung der zentralen Öffnung 73a bzw. 73c bei Betrieb der Zentrifuge 1 mit dem beabsichtigten Kraftstofffüllstand, zum Beispiel 6, ermöglicht ist. Demgegenüber ist der Durchmesser der zentralen Öffnung 73b derart bemessen, dass eine Kraftstoff-Durchströmung derselben bei Betrieb der Zentrifuge 1 und dem vorgesehenen Füllstand nicht möglich ist.
Weiterhin weist in einer jeweiligen Längssektion A, B, C, ... der zweiten Kammer 63 bevorzugt lediglich die mittlere Zwischenwand 71b (wenigstens) eine Verbindungsbohrung 75 auf, so dass in Verbindung mit den unterschiedlich gestalteten Durchmessern der zentralen Öffnungen 73a, b, c der Kraftstoff auf einen mäandrierenden Strömungsweg gezwungen werden kann, welcher von radial außen liegenden Positionen, Bohrungen 69 und 75, hin zu radial innenliegenden Positionen, Öffnungen 73a und 73c führt, 6. Die Verweilzeit des Kraftstoffs in der zweiten Kammer 63 ist hierdurch vorteilhaft gesteigert und Kurzschlussströmung wird vermieden.
Ersichtlich, z. B. 1, 2, 3 u. a., ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die Gas-Abfuhreinrichtung 47 zur Abfuhr abgeschiedener Luft auch in die zweite Kammer 63 erstreckt, insbesondere radial innenliegend in einen zentralen Bereich der zweiten Kammer 63. Hierzu kann die Trennwand 67 eine zentrale Öffnung aufweisen, um den Eintritt der Abfuhreinrichtung 47 zu ermöglichen. Die Abfuhreinrichtung 47, bevorzugt gebildet mittels des verlängerten, z. B. lanzenförmigen Lagerzapfens 25 weist in der zweiten Kammer 63 zur Entgasung bevorzugt eine weitere Mündung 43 auf. Wie bei der Mündung 43 in der ersten Kammer 55 ist auch für die Mündung 43 der zweiten Kammer 63 vorgesehen, diese mit einem bevorzugt mitrotierbaren Sperrelement 61, insbesondere der Abfuhreinrichtung 47, vor einem Kraftstoffeintritt zu schützen – z. B. wiederum durch ein Käfigelement 61 oder alternativ z. B. durch ein Sperrgitter oder ein Sperrlabyrinth, s. o. Der verlängerte Lagerzapfen 25 kann in der Trennwand 67 gleitgelagert oder über eine Gleitdichtung mit der Trennwand 67 relativdrehfähig verbunden sein.
Bevorzugt grenzt an die zweite Kammer 63 in Richtung zur Auslassseite 23 eine dritte Kammer 77, welche im Innenraum 29 abgeteilt ist und z. B. gleichbleibenden Querschnitt aufweist. Die Kammer 77, welche zur Feinstabscheidung vorgesehen sein kann, kann über eine weitere Trennwand 79 von der zweiten Kammer 63 getrennt sein. Die dritte Kammer 77 kann frei von Längs- und Querrippen gebildet sein, z. B. 5, so dass darin insbesondere eine beruhigte Strömung erzielbar ist. Zum Kraftstoffdurchtritt kann die Trennwand 79 wiederum radial weit außenliegende Verbindungsbohrungen 81 aufweisen, welche über den Umfang verteilt sind, bevorzugt gleichmäßig (wie auch die Bohrungen 69, 75).
Die dritte Kammer 77 wird andernends bevorzugt durch die Stirnseite 23 begrenzt, welche die Auslassöffnungen 53 der Zentrifuge 1 bereitstellen kann.
Nachfolgend wird auf einige Aspekte des Betriebs der Kraftstoffzentrifuge 1 gemäß der 1 bis 6 eingegangen.
Für den Betrieb der Zentrifuge 1 kann Kraftstoff, in welchem das gebundene Wasser bzw. die gebundene Luft mittels bevorzugt Ultraschall in freies Wasser bzw. freie Luft umgewandelt ist, über die Kraftstoffzufuhrvorrichtung 39 (Hohlbohrung Lagerzapfen 13) in den Innenraum 29 bzw. die erste Kammer 55 gelangen. Der eintretende Kraftstoff wird z. B. an der Prallwand 45 gestreut. Insbesondere beim Anfahren des Rotors 7 können die Längsrippen 57 für eine verzugslose Mitnahme des Kraftstoffs sorgen. Ausgeschiedenes Wasser (inklusive Schweb- bzw. Feststoffen) kann sich im Reservoir 33 sammeln. Infolge der Zentrifugenrotation abgeschiedene Luft ist über die Gasabfuhreinrichtung 47 aus dem zentralen Bereich der Kammer 55 abführbar, bevorzugt durch Anlegen eines (geringen) Unterdrucks. Berührt Kraftstoff das Sperrelement 61 kann dieser vorteilhaft durch Fliehkraft wieder abgeschleudert werden.
Entlang des Strömungswegs durch die Zentrifuge 1, gestrichelte Linie in 6, kann der Kraftstoff über die radial weit außenliegenden Verbindungsbohrungen 69 in die zweite Kammer 63 gelangen. Abgeschiedene Luft kann analog zu der ersten Kammer 55 wieder zentral über die Abfuhreinrichtung 47 abgeführt werden. Nachdem der Kraftstoff die Zwischenwände 71a, b, c der zweiten Kammer 63 passiert hat, kann er über die Bohrungen 81 in die dritte Kammer 77 gelangen, in welcher der Kraftstoff den maximalen Drall erreichen kann. Über die Auslassöffnungen 53 ist der Kraftstoffabfluss ermöglicht, zum Beispiel mittels eines um die Auslassöffnungen 53 zentrifugenaußenseitig angeordneten Spritzblechs 83. Der austretende Kraftstoff kann bevorzugt gegen ein den Auslass 53, 83 kapselndes Fangblech 85, zum Beispiel 1, geschleudert werden, welches als Kraftstoffauslass des Gehäuses 5 fungieren kann, und über welches der Kraftstoff in einen Puffertank 87 geleitet werden kann. Aus diesem Puffertank 87 können Kraftstoffpumpen bzw. ein Einspritzsystem nachfolgend gespeist werden.
6 veranschaulicht exemplarisch Füllstände und einen Strömungsweg. Die erste Kammer 55 kann im Betrieb bis an den zentralen Bereich heran befüllt werden, d. h. maximal soweit, dass das Sperrelement 61 nicht in den Kraftstoff eintaucht. In der zweiten Kammer 63 ist hierbei das Füllstandsniveau bevorzugt derart eingestellt, dass der Rand 89a, 89c der Mittenöffnungen 73a und 73c überschwemmt ist, während die zweite Zwischenwand 71b zum Zentrum hin über den Kraftstoffpegel herausragt, 89b. Der Kraftstoff wird somit auf einen mäandrierenden Strömungsweg durch die zweite Kammer 63 gezwungen, welcher mehrfach von einer radial außenliegend Position zu einer radial innenliegend Position und somit zu einer gesteigerten Verweilzeit führt. Der Füllstand in der dritten Kammer 77 wird über die radiale Höhe der Ablauföffnungen 53 bestimmt.
Die Zentrifuge 1 kann vorteilhaft wartungsfrei ausgeführt werden, zum Beispiel können am Sammelreservoir 33 Ablaufventile 91, insbesondere selbsttätige Ablaufventile 91 vorgesehen werden. Die Ablaufventile 91 können bei Rotorstillstand mittels Federkraft öffnen, so dass der gesamte Inhalt des Rotors 7 und folglich auch das gesammelte Wasser ablaufen kann. Alternativ könnte z. B. vorgesehen sein, die Ablauföffnungen aus dem Sammelreservoir 33 je mit einer Schraube zu verschließen. Weiterhin ist ein fliehkraftunterstütztes Leeren denkbar, wozu die Ventile 91 z. B. je einen Magnetschalter enthalten können oder z. B. derart ausgeführt sein können, dass das Ventil 91 erst ab einer bestimmten Drehzahl schließt.
Bevorzugt kann der Rotor 7 bei einem Abstellen in eine definierte Position verbracht werden, in welchem eines der Ablassventile 91 an der tiefsten Stelle zu stehen kommt. Hierzu kann ein Magnet 93 vorgesehen sein, zum Beispiel 6, mittels welchem der Rotor 7 (bei Annäherung des Magneten kurz vor dem Stillstand) zum Beispiel über eine aufgesetzte Stahlplatte 95 eingefangen werden kann.
7 zeigt ein Kraftstoffsystem 100 mit einem Kraftstoffaufbereitungssystem 3, welches mit der Kraftstoffzentrifuge 1 bildbar ist. Das Kraftstoffaufbereitungssystem 3 kann zum Beispiel für stationäre, Marine-, Offroad- oder Fahrzeuganwendungen vorgesehen werden. Das Kraftstoffaufbereitungssystem 3 kann als Luft-/Wasser-Abscheidemodul und insoweit vorteilhaft als kompakte Einheit bereitgestellt werden, welche zwischen einem Tank und z. B. einer Vorförderpumpe eines Kraftstoff(einspritz)systems angeordnet sein kann.
Im Rahmen eines Kraftstoffsystems gemäß 7 kann Kraftstoff von einem Tank 101 zunächst in einen Wärmetauscher 103 des Kraftstoffaufbereitungssystems 3 gelangen, welcher z. B. am Kühlwasserkreislauf eines Motors 105 angeschlossen sein kann, Bz. 107. Hierbei kann der Kraftstoff auf ca. 50° bis ca. 70° vorgewärmt werden. Die Erwärmung begünstigt die Auslösung im nachfolgenden Ultraschallentgaser 109. Die von dem Ultraschallentgaser 109 generierten Ultraschallwellen erzeugen im Kraftstoff Druckwellen mit hohen „Unterdruck”-Spitzen, wodurch Luft und Wasserdampf herausgelöst werden können.
Durch die Anordnung einer Niederdruckpumpe 111 nach der Ultraschallentgasungseinheit 109 und einer verstellbaren Drossel 113 vor der Ultraschallentgasungseinheit 109 kann der Druck auf ein Niveau unterhalb des Umgebungsdruckes abgesenkt werden, so dass die Entgasung nochmals vereinfacht werden kann. Alternativ kann vorgesehen sein, die Niederdruckpumpe 111 vor der Ultraschallentgasungseinheit 109 anzuordnen, wobei ein unterstützender Unterdruck im Entgaser 109 durch eine Unterdruckpumpe oder einen Anschluss an das Saugrohr des Motors 105 erzeugt werden kann.
In der Zentrifuge 1, welche der Ultraschallentgasungseinheit 109 bzw. der Niederdruckpumpe 111 (zum Beispiel auch einem Filter 115) nachgeschaltet ist, kann der Kraftstoff von Luft und Wasser befreit werden. Vorteilhaft kann der Antrieb von Niederdruckpumpe 109 und der Zentrifuge 1 über eine gemeinsame Antriebseinheit 27, zum Beispiel einen Elektromotor erfolgen. Der gereinigte Kraftstoff am Auslass 85 (bzw. 53) kann nach der Zentrifuge 1 mittels eines Luft-/Fluid-Wärmetauschers 117 abgekühlt werden. Der Wärmetauscher 117 kann z. B. mit Seewasser oder Kühlluft angeströmt werden.
Das Puffergefäß 87 kann ermöglichen, den Kraftstofffluss in die Hochdruckpumpe 119 bei Lastsprüngen und beim Anlassen des Motors 105 zu kompensieren. Auskondensiertes Wasser und Schmutz können in einem Abscheider 121 festgehalten werden. Leckagekraftstoff aus der Zentrifugenlagerung, z. B. Bz. 13, oder aus der Zentrifuge 1 entleerter Kraftstoff kann nach dem Abstellen in das Puffergefäß 87 oder alternativ in den Tank 101 zurück geleitet werden. Seitens der Zentrifuge 1 abgeführte Luft und Dampf können in den Ansaugtrakt des Motors 105 zurückgeführt werden.
Die vom Motor 105 kommende (heiße) Injektorleckage kann über wenigstens ein Regelventil 123 größtenteils wieder in den Kraftstoffvorlauf zurückgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass der durch Wärmeeinwirkung ”vorgealterte” Kraftstoff den frischen Kraftstoff im Tank 101 nicht verdünnt. Lediglich bei sehr großen Rücklaufmengen mit hoher Temperatur kann vorgesehen sein, einen überschüssigen Teil über einen Kühler 125 zurück in den Tank 101 zu leiten. Durch Zumischung heißen Rücklaufkraftstoffes vor der Ultraschallentgasungseinheit 109 kann nach einem Kaltstart ein schnelles Aufwärmen des Kraftstoffs sichergestellt werden. Ansonsten kann der Rücklaufkraftstoff nach der Ultraschallentgasung beigemischt werden, insoweit als der Rücklaufkraftstoff einerseits bereits entgast ist, und andererseits die Verweildauer des zu entgasenden Frischkraftstoffes in der Ultraschalleinheit 109 gesteigert wird.
8 und 8a zeigen eine Ultraschallentgasungseinheit 109 schematisch im Detail, wobei die Ultraschallentgasungseinheit 109 bevorzugt einen integrierten Wärmetauscher 127 aufweist. Die beheizbare Entgasungseinheit 109 umfasst Beschallungskanäle 129, entlang welchen der Kraftstoff durch die Ultraschallentgasungseinheit 109 an den Ultraschallköpfe 131 vorbei geführt wird. Die Fläche der Ultraschallköpfe 131 weist bevorzugt ein großes Verhältnis zu dem Volumen 129 auf.
Die Kanäle 129 werden für ein Wärmetauschen bevorzugt von Motorkühlwasser über einen Einlass 133 und einen Auslass 135 der Ultraschallentgasungseinheit 109 umströmt. An die Ultraschallstrecke 137 können sich bevorzugt ein oder mehrere feinmaschige Gitter bzw. Filter 139 anschließen, wodurch die winzigen Blasen zu größeren Blasen zusammenwachsen können. Dies ermöglicht eine schnellere Abscheidung in der Zentrifuge 1. Durch rauhe Oberflächen der Entgasungseinheit 109 kann die Entgasung begünstigt werden, z. B. gebildet durch Gussoberflächen, z. B. AL-Guß. Zur Versteifung der Ultraschallentgasungseinheit 109 können Versteifungsrippen 141 zwischen den Beschallungskanälen 129 und der Gehäusewand 143 vorgesehen sein.
Das vorgeschlagene Abscheidemodul 3 ermöglicht eine Ultraschallentgasung und eine mechanische Trennung/Entgasung. Die Entgasungseinheit 109 überführt die gebundene Luft und das gebundene Wasser in den Gaszustand, während in der nachgeordneten Zentrifuge 1 Luft, Wasserdampf und kondensiertes Wasser aus dem Kraftstoff abgeschieden werden.
Bezugszeichenliste

1: Kraftstoffzentrifuge
3: Kraftstoffaufbereitungssystem
5: Gehäuse
7: Rotor
9: Auslass
11: Stirnseite
13: Lagerzapfen
19: Durchtrittsöffnung
21: Rotorgehäuse
23: Stirnseite
25: Lagerzapfen
27: Antriebseinheit
29: Innenraum
31: Abschnitt
33: Reservoir
35: Aufweitender Querschnitt
39: Kraftstoffzufuhrvorrichtung
41: Axialbohrung
43: Mündung
45: Prallelement
47: Abfuhreinrichtung
49: Kanal
51: Ausmündung
53: Auslass
55: Erste Kammer
57: Längsrippen
59: Radialspalt
61: Sperrelement
63: Zweite Kammer
65: Rippen
67: Trennwand
69: Verbindungsbohrungen
71: Zwischenwand
73: Öffnung
75: Verbindungsbohrung
77: Dritte Kammer
79: Trennwand
81: Verbindungsbohrung
83: Spritzring
85: Fangblech (Auslass)
87: Puffertank
89: Rand
91: Ventil
93: Magnet
95: Stahlplatte
100: Kraftstoffsystem
101: Tank
103: Wärmetauscher
105: Motor
107: Anschluss
109: Ultraschallentgaser
111: Niederdruckpumpe
113: Drossel
115: Filter
117: Wärmetauscher
119: Hochdruckpumpe
121: Abscheider
123: Regelventil
125: Kühler
127: Wärmetauscher
129: Beschallungskanäle
131: Ultraschallkopf
133: Einlass
135: Auslass
137: Ultraschallstrecke
139: Filter/Gitter
141: Rippen
143: Gehäusewand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007016943 B4 [0003]

Claims

Kraftstoffzentrifuge (1) aufweisend: – ein Rotorgehäuse (21) mit einem darin gebildeten, radial außenliegenden und sich in Rotationsrichtung um das Rotorgehäuse (21) erstreckenden Sammelreservoir (33) für aus dem Kraftstoff abzuscheidendes Wasser; – eine Abfuhreinrichtung (47) für Gas, insbesondere freie Luft, welche sich radial innenliegend von einer Stirnseite (11) des Rotorgehäuses (21) in das Rotorgehäuse (21) erstreckt, insbesondere zentral.
Kraftstoffzentrifuge (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifuge (1) weiterhin einen Auslass (53) aus dem Rotorgehäuse (21) aufweist, welcher radial zwischen dem radial außenliegenden Sammelreservoir (33) und der radial innenliegenden Abfuhreinrichtung (47) angeordnet ist.
Kraftstoffzentrifuge (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelreservoir (33) mittels einer Querschnittsaufweitung (35) und einer Querschnittsverjüngung (31) des Rotorgehäuses (21) gebildet ist.
Kraftstoffzentrifuge (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfuhreinrichtung (47) durch einen insbesondere feststehenden Lagerzapfen (13) des Rotorgehäuses (21) geführt und/oder durch diesen gebildet ist.
Kraftstoffzentrifuge (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifuge (1) eine Kraftstoffzufuhreinrichtung (39) aufweist, welche sich radial innenliegend von der Stirnseite (11) des Rotorgehäuses in das Rotorgehäuse (21) erstreckt, insbesondere zentral.
Kraftstoffzentrifuge (1) nach einem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzufuhreinrichtung (39) durch einen Lagerzapfen (13) des Rotorgehäuses (21) geführt und/oder durch diesen gebildet ist, wobei der Lagerzapfen (13) weiterhin insbesondere ein Prallelement (45) aufweist.
Kraftstoffzentrifuge (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mündung (51) der Abfuhreinrichtung (47), insbesondere sämtliche, durch ein mitrotierbares Element (61) gegen Eindringen von Kraftstoff geschützt ist bzw. sind, insbesondere je durch einen Käfig oder ein Sperrlabyrinth.
Kraftstoffzentrifuge (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifuge (1) eine erste Kammer (55) umfasst, welche das Sammelreservoir (33) aufweist und in welche sich die Gas-Abfuhreinrichtung (47) mit einer Mündung (51) erstreckt.
Kraftstoffzentrifuge (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffzentrifuge (1) eine zweite, der ersten Kammer (55) in Durchströmrichtung der Zentrifuge (1) nachgeordnete Kammer (63) aufweist, in welcher der Kraftstoff von radial außenliegenden Positionen hin zu radial innenliegenden Positionen entlang des Strömungswegs zu einem Auslass (81, 53) gezwungen wird, insbesondere mehrfach, wobei sich die Abfuhreinrichtung (47) radial innenliegend mit einer Mündung (51) insbesondere auch in die zweite Kammer (63) erstreckt.
Kraftstoffzentrifuge (1) nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifuge (1) eine dritte Kammer (77) aufweist, welche in Durchströmrichtung der zweiten Kammer (63) nachgeordnet ist, wobei die dritte Kammer (77) zur Beruhigung der Strömung vorgesehen ist, insbesondere den Zentrifugenauslass (53) aufweist.
Kraftstoffzentrifuge (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kammer (55) mit der zweiten (63) oder mit der zweiten (63) und dritten (77) Kammer über radial außen liegende Öffnungen (69, 75, 81) in jeweils einer benachbarte Kammern (55, 63, 77) trennenden Wand (67, 79) kommuniziert.
Kraftstoffzentrifuge (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (55) und/oder die zweite (63) Kammer Längsrippen (57, 65) zur Minimierung des Verzugs der Kraftstoffmitnahme aufweist.
Kraftstoffzentrifuge (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifuge (1), insbesondere die zweite Kammer (63), Längsrippen (65) und zentral geöffnete Querrippen (71) sowie Kommunikationsbohrungen (73a, b, c) aufweist, um den Kraftstoff zwischen radial außenliegenden und radial innenliegenden Positionen mäandrierend durch den Innenraum (29), insbesondere die zweite Kammer (63), zu führen.
Kraftstoffaufbereitungssystem (3), gekennzeichnet durch eine Zentrifuge (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Kraftstoffaufbereitungssystem (3) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrifuge (1) eine Ultraschallentgasungseinheit (109) vorgeschaltet ist.