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Die Erfindung bezieht sich auf eine Abscheideeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und deren Verwendung.
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In der Druckschrift
DE 196 42 219 A1 wird eine Ölabscheidevorrichtung für die Abscheidung von Öl aus Blow-By-Gasen beschrieben, die als Verbrennungsgase aufgrund von Undichtigkeiten im Bereich von Kolbenringspalten in das Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine entweichen. In dem Ölabscheider werden die Ölbestandteile aus den Blow-By-Gasen abgeschieden und ausgeleitet, der gereinigte Gasstrom wird in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zurückgeführt. Der Ölabscheider umfasst ein in einem Gehäuse angeordnetes Ölabscheideelement, welches als eine mehrere Umgänge aufweisende Wendel ausgebildet ist. Die Umgänge bilden Strömungshindernisse, an denen sich die Ölpartikel im Gasstrom anlagern können.
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Es handelt sich bei diesem Ölabscheider um eine einstufige Abscheideeinrichtung, bei der mit zunehmendem Volumenstrom der Druckverlust zwischen Anström- und Abströmseite des Abscheiders exponentiell zunimmt; zugleich nähert sich der Abscheidegrad einem Grenzwert, so dass mit zunehmendem Volumenstrom der Wirkungsgrad des Ölabscheiders abnimmt. Derartige Ölabscheider eignen sich daher konstruktionsbedingt nur für einen relativ eng begrenzten Volumenstrombereich.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 102 51 677 A1 ist ein Zyklonabscheider mit einer bezogen auf die Durchströmungsrichtung ersten Zyklonanordnung und einer in Reihe dazu geschalteten zweiten Zyklonanordnung bekannt, wobei die zweite Zyklonanordnung über einen Bypasskanal umgehbar ist. Über eine volumenstromgesteuerte Ventileinrichtung wird ein durch den Bypasskanal hindurchleitbarer Teilstrom bemessen. Weiterer Stand der Technik ist aus den Druckschriften
DE 698 24 637 T2 ,
DE 600 04 179 T2 ,
EP 15 16 574 A2 und
JP 5599359 A bekannt.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, über einen weiten Volumenstrombereich einen hohen Abscheidegrad in einer Abscheideeinrichtung zu gewährleisten.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die erfindungsgemäße Abscheideeinrichtung ist zweistufig aufgebaut und umfasst eine erste und eine zweite Abscheideeinheit, die in Reihe geschaltet sind und hintereinander von dem zu reinigenden Gasstrom durchströmt werden. Im Strömungsweg zwischen der ersten und der zweiten Abscheideeinheit ist ein Überdruckventil angeordnet, welches unterhalb eines Druckgrenzwertes im Gasstrom in Schließposition steht, so dass der Gasstrom im Anschluss an die erste Abscheideeinheit durch die zweite Abscheideeinheit gelenkt wird. Bei Überschreitung eines gegebenen Druckdifferenzgrenzwertes wird das Überdruckventil geöffnet, wodurch ein Bypass unter Umgehung der zweiten Abscheideeinheit direkt zu einem Abströmkanal freigegeben wird, so dass die zweite Abscheideeinheit bei hohen Druckwerten im Gasstrom zumindest teilweise umgangen wird. Auf diese Weise kann mit einfachen Maßnahmen in Abhängigkeit des herrschenden Druckes im Gasstrom eine zweistufige Abscheidung realisiert werden, bei der unterhalb des Druckgrenzwertes der gesamte Gasstrom nacheinander zunächst durch die erste Abscheideeinheit und anschließend durch die zweite Abscheideeinheit gelenkt wird, wohingegen bei höheren Druckwerten der gesamte Gasstrom durch die erste Abscheideeinheit und teilweise durch die zweite Abscheideeinheit geleitet wird. Auf diese Weise werden kleine Volumenströme durch beide Abscheideeinheiten geführt und dadurch optimal gereinigt. Bei größeren Volumenströmen, die hauptsächlich nur durch die erste Abscheideeinheit geführt werden, kann dagegen der Druckverlust trotz eines verhältnismäßig hohen Abscheidegrades minimal gehalten werden. Die zweite Abscheideeinheit ist in das Gehäuse der ersten Abscheideeinheit integriert.
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Die zweite Abscheideeinheit ist kleiner ausgeführt als die erste Abscheideeinheit, wobei in der zweiten, kleineren Abscheideeinheit vorteilhaft die Partikel aus Gasströmen mit geringerem Volumenstrom und in der ersten, größeren Abscheideeinheit die Partikel aus Gasströmen mit höherem Volumenstrom abgeschieden werden. Über eine aufeinander abgestimmte Größenrelation zwischen erster und zweiter Abscheideeinheit kann der Volumenstrombereich sowie der Abscheidegrad und der Druckverlust über die Abscheideeinrichtung beeinflusst werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung sind beide Abscheideeinheiten als Zyklon ausgeführt, insbesondere als ortsfester Zyklon mit Ringräumen, durch die der Gasstrom geleitet wird.
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Das Überdruckventil wird vorteilhaft von einem Stellglied, insbesondere von einem passiven Federelement in seine Schließposition beaufschlagt, in welcher der Bypass zur zweiten Abscheideeinheit verschlossen ist und der gesamte Gasstrom zunächst durch die erste und anschließend durch die zweite Abscheideeinheit geführt wird. Der Bypass verläuft im Falle einer in die äußere, erste Abscheideeinheit integrierten zweiten Abscheideeinheit im Bereich der Außenwandung des Gehäuses der zweiten Abscheideeinheit. Übersteigt der Druck im Gasstrom den Druckgrenzwert, wird das Überdruckventil aus seiner Schließposition angehoben und gibt den Bypass frei, so dass der gesamte oder zumindest ein Großteil des Gasstromes an der zweiten Abscheideeinheit vorbeiströmt und unmittelbar aus der Abscheideeinrichtung ausgeleitet wird.
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Zweckmäßig bildet das Gehäuse des Überdruckventils zugleich das Gehäuse der zweiten Abscheideeinheit, wobei die Wandung des Gehäuses des Überdruckventils auch eine Seitenwand des Strömungsweges für den Gasstrom zwischen erster und zweiter Abscheideeinheit bildet. Beim Öffnen und Schließen des Überdruckventils wird das Gehäuse verstellt, insbesondere translatorisch verschoben, wodurch der Bypass freigegeben bzw. verschlossen wird. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das Gehäuse des Überdruckventils zylindrisch ausgebildet ist und im Bereich einer Stirnseite einen radial überstehenden Kragen besitzt, der in Schließposition auf einer Stirnseite des vorteilhaft ebenfalls zylindrischen Gehäuses der ersten Abscheideeinheit aufliegt, wodurch in Schließposition diese Stirnseite der ersten Abscheideeinheit verschlossen wird. Beim Anheben des Überdruckventils wird der Kragen aus seiner verschließenden Stellung angehoben, wodurch ein Strömungsweg im Bereich der Stirnseite der ersten Abscheideeinheit freigegeben wird. Dieser Strömungsweg bildet den Bypass, über den der Gasstrom unter Umgehung der zweiten Abscheideeinheit abströmen kann.
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Die Abscheideeinrichtung kann insbesondere als Ölabscheider eingesetzt werden, über den Ölpartikel, beispielsweise in Blow-By-Gasen eines Kurbelgehäuses in einer Brennkraftmaschine, abgeschieden werden können. Derartige Blow-By-Gase entstehen durch einen Übertritt von Verbrennungsgasen aus den Brennräumen über Kolbenringspalte in das Kurbelgehäuse hinein. Der von den Ölpartikeln gereinigte Gasstrom kann nach der Abscheidung als Verbrennungsluft wieder den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt werden.
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In Betracht kommt aber auch eine Anwendung allgemein als Flüssigkeitsabscheider, insbesondere als Wasserabscheider, oder als Staubabscheider für feste Partikel.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer Abscheideeinrichtung zur Abscheidung von flüssigen oder festen Partikeln aus einem Gasstrom, welche zweistufig aufgebaut ist und zwei hintereinander geschaltete Abscheideeinheiten umfasst,
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2 einen Schnitt durch die Abscheideeinrichtung aus 1.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Abscheideeinrichtung 1 eignet sich sowohl zur Abscheidung von flüssigen Partikeln als auch zur Abscheidung von festen Partikeln aus einem Gasstrom. In einer bevorzugten Anwendung wird die Abscheideeinrichtung zur Abscheidung von Ölpartikeln aus den Blow-By-Gasen eines Kurbelgehäuses in einer Brennkraftmaschine verwendet.
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Die Abscheideeinrichtung 1 besteht aus einem äußeren Gehäuse, welches einen Außenzyklon 6 beinhaltet und in einem oberen Abschnitt zylindrisch und in einem unteren Abschnitt sich konisch verjüngend ausgebildet ist. Der zu reinigende Gasstrom wird über einen Zuströmkanal 2 in Pfeilrichtung 3 in die Abscheideeinrichtung 1 eingeleitet, wobei der Zuströmkanal 2 etwa tangential in das zylindrische Gehäuse einmündet, wodurch dem einströmenden Gasstrom bei der Einleitung in das Gehäuse ein Drall versetzt wird. Der von den Partikeln gereinigte Gasstrom wird über einen gegenüber dem Zuströmkanal axial und über den Umfang versetzten Abströmkanal 4 in Pfeilrichtung 5 abgeleitet. Die Abscheideeinrichtung 1 umfasst – wie nachfolgend zu 2 im Detail erläutert wird – zwei hintereinander, in Reihe geschaltete Abscheideeinheiten, denen jeweils eine Austrittsöffnung 7 bzw. 8 im unteren, spitz zulaufenden Abschnitt des Gehäuses zugeordnet ist. Über die Austrittsöffnungen 7 und 8 können die flüssigen oder festen Partikel, die in der ersten bzw. der zweiten Abscheideeinheit abgeschieden worden sind, aus der Abscheideeinrichtung 1 ausgeleitet werden.
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Wie der Schnittdarstellung gemäß 2 zu entnehmen, umfasst die Abscheideeinrichtung 1 die beiden Abscheideeinheiten 6 und 10, die jeweils als Zyklon ausgeführt sind, wobei die erste, vorgeschaltete Abscheideeinheit 6 den Außenzyklon und die zweite, nachgeschaltete Abscheideeinheit 10 den Innenzyklon bildet, der in das Gehäuse des Außenzyklons integriert ist. Beide Abscheideeinheiten 6 und 10 sind näherungsweise zylindrisch mit einem sich nach unten konisch verjüngenden Abschnitt ausgeführt. Die zweite, innere Abscheideeinheit ist zweiteilig aufgebaut und besitzt ein erstes, äußeres Gehäuseteil 10a, in dem ein zweites, inneres Gehäuseteil 10b aufgenommen ist, welches zugleich Bestandteil eines Überdruckventiles 11 ist. Das äußere Gehäuseteil 10a der zweiten Abscheideeinheit 10 mündet im Bereich seines konisch zulaufenden Abschnittes in ein Ablaufrohr 12, welches im Gehäuse der Abscheideeinrichtung 1 nach unten geführt ist, wobei die freie Stirnseite des Ablaufrohres 12 die Austrittsöffnung 8 bildet, über die abgeschiedene Partikel aus der Abscheideeinrichtung ausgetragen werden. Über das Ablaufrohr 12 ist das Gehäuseteil 10a fest mit dem Gehäuse der Abscheideeinrichtung 1 verbunden.
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Das zweite Gehäuseteil 10b, welches Bestandteil des Überdruckventiles 11 ist, ist als Hohlzylinder ausgeführt und ist in dem zylindrischen, nach oben hin offenen Abschnitt des ersten Gehäuseteiles 10a aufgenommen. Das zweite Gehäuseteil 10b besitzt auf der dem Deckel 13 der Abscheideeinrichtung benachbarten Seite einen radial überstehenden Kragen 14, der einen etwa axial verlaufenden Übergangskanal 9 zwischen dem Gehäuse der ersten Abscheideeinheit 6 und dem äußeren, ersten Gehäuseteil 10a der zweiten Abscheideeinheit 10 stirnseitig begrenzt. Das zweite Gehäuseteil 10b der zweiten Abscheideeinheit 10 ist über eine Kreuzstabführung 15 mit dem Deckel 13 verbunden und erstreckt sich axial in den Innenraum der Abscheideeinrichtung 1.
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Das Überdruckventil 11 umfasst zusätzlich zu dem zweiten Gehäuseteil 10b auch ein als Federelement 16 ausgeführtes Stellglied, das als Schraubendruckfeder ausgeführt ist und um den Befestigungsstab 15 gelegt ist. Die Wirkrichtung des Federelementes 16 verläuft axial in Richtung der Längsachse der Abscheideeinrichtung. Eine Stirnseite des Federelementes 16 stützt sich an der Innenseite des Deckels 13 ab. Der gegenüberliegende Endabschnitt des Federelementes ist fest mit dem zweiten Gehäuseteil 10b verbunden, welches in Achsrichtung längsverschieblich ist. Das Federelement 16 beaufschlagt das zweite Gehäuseteil 10b in Richtung des Bodens der Abscheideeinrichtung, wodurch der Kragen 14 am zweiten Gehäuseteil 10b in seine Schließposition beaufschlagt wird, in der der Kragen die axiale Stirnseite des Gehäuses der ersten Abscheideeinheit 9 verschließt.
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Durch ein Zusammendrücken des Federelementes 16 wird das Überdruckventil 11 in Richtung Deckel 13 aus seiner Schließposition angehoben und in die Öffnungsposition verstellt, in welcher der Kragen 14 von der Stirnseite der ersten Abscheideeinheit abgehoben ist und einen zwischen erster Abscheideeinheit und dem Abströmkanal gelegenen Strömungsweg freigibt, der einen Bypass der zweiten Abscheideeinheit 10 bildet.
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Bei geschlossenem Überdruckventil wird der Gasstrom, welcher in den Ringraum zwischen erster Abscheideeinheit 6 und erstem Gehäuseteil 10a der zweiten Abscheideeinheit 10 einströmt, an dem Kragen 14 umgelenkt, wodurch der Gasstrom in den Innenraum des ersten Gehäuseteiles 10a geleitet wird. Im weiteren Verlauf kann der Gasstrom über den Innenraum des zylindrischen, zweiten Gehäuseteiles 10b strömen und schließlich über den Abströmkanal 4 in Pfeilrichtung 5 aus der Abscheideeinrichtung 1 ausgeleitet werden. Bei dieser Strömungsführung werden die beiden Abscheideeinheiten 9 und 10 hintereinander durchströmt, wobei abgeschiedene Partikel entweder an der Innenseite des Gehäuses 6 der Abscheideeinrichtung nach unten geleitet werden und über die erste Austrittsöffnung 7 am Boden des Gehäuses 6 abgeleitet werden oder, bei einer Abscheidung in der zweiten Abscheideeinheit 10, über das Ablaufrohr 12 und die zweite Austrittsöffnung 8 ausgeleitet werden.
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Übersteigt jedoch der Druck im Gasstrom einen Druckgrenzwert, wirkt auf den Kragen 14 in Pfeilrichtung 17 eine öffnende Kraft und das Überdruckventil 11 wird aus der Schließposition gegen die Schließkraft des Federelementes 16 in die Öffnungsposition angehoben. Dadurch wird der Bypass zwischen der Stirnseite des Gehäuses der ersten Abscheideeinheit 6 und dem Kragen 14 freigegeben, so dass der Gasstrom unter Umgehung der zweiten Abscheideeinheit 10 gemäß dem strichlierten Pfeil 18 austreten kann und über den Abströmkanal 4 in Pfeilrichtung 5 unmittelbar aus der Abscheideeinrichtung 1 ausgeleitet wird.
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Als Stellglied im Überdruckventil kann anstelle eines Federelementes auch ein elektromagnetisches Stellelement verwendet werden. Grundsätzlich kommen sowohl passive als auch aktiv einstellbare Stellglieder in Betracht.
