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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft ein System zur Entfernung von Partikeln aus einem
Fluidstrom, insbesondere einem Gasstrom eines Ansaugsystems einer aufgeladenen
Brennkraftmaschine nach der Gattung des Patentanspruches 1 und des
nebengeordneten Patentanspruches 9.
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Zur
Erzielung einer möglichst
hohen Lebensdauer wird traditionell die von Brennkraftmaschinen benötigte Luft,
bevor sie in die Brennräume
gelangt, möglichst
weitgehend von Partikeln befreit. Ungehindert in die Brennräume gelangende
Partikel würden ansonsten
den mechanischen Verschleiß beispielsweise
der Ventileinlässe
oder der Kolbenhubbewegung unzulässig
erhöhen.
Aus diesem Grund ist es bekannt, die zugeführte Luft vorher mithilfe eines Luftfilters
von ungewünschten
Partikeln zu befreien. Der Luftfilter wird hierbei anhand verschiedener
Kriterien ausgelegt. Diese Kriterien sind u.a. der benötigte Volumenstrom,
der benötigte
Abscheidegrad, der zulässige
Druckverlust und die gewünschte Standzeit
bzw. Lebensdauer des Filterelementes. Weiterhin ist es bekannt,
direkt vor dem Luftfilter eine Vorabscheidung vorzuschalten, um
dass Filterelement zu entlasten. Nachteilig ist hier jedoch, dass auch
mit der Kombination einer Vorabscheidung die Standzeit eines Standardfilters
immer noch relativ gering ist. Ein Ausweg hieraus wäre ein spezieller Luftfilter,
welcher eine höhere
Standzeit gewährleistet,
aber den Nachteil erhöhter
Kosten mit sich bringen würde.
Aufgrund der immer noch notwendigen Wechselintervalle multiplizieren
sich in diesem Fall die höheren
Kosten des Luftfilters. Ebenso nachteilig wirkt sich der relativ
hohe Druckverlust, welcher durch einen Standardlufttilter verursacht
wird, auf die Performance der Brennkraftmaschine aus.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein System zur Entfernung von Partikeln
aus einem Fluidstrom zu schaffen, welches ohne Luftfilter bzw. mit
einem kostengünstigen
Luftfilter mit einer sehr hohen Standzeit auskommt und welches einfach
aufgebaut ist und auch eine nachträgliche Ausrüstung einer Brennkraftmaschine
mit diesem System zulässt.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße System
dient zur Entfernung von Partikeln aus einem Fluidstrom, insbesondere
einem Gasstrom eines Ansaugsystems einer aufgeladenen Brennkraftmaschine.
Es weist wenigstens einen ersten Massenträgheitsseparator, insbesondere
einen Zyklonabscheider, und einen Verdichter auf, wobei der erste
Massenträgheitsseparator
wenigstens einen Einlass und wenigstens einen Auslass aufweist und
der wenigstens eine Auslass korrespondierend mit einem Einlass des
Verdichters verbunden ist. Weiterhin ist wenigstens ein Auslass
des Verdichters mit wenigstens einem Einlass wenigstens eines zweiten
Massenträgheitsseparators,
insbesondere Zyklonabscheiders, korrespondierend verbunden, und
der Fluidstrom verlässt
den zweiten Massenträgheitsseparator
durch einen Auslass. So geschieht eine erste Vorabscheidung von Partikeln
im ersten Massenträgheitsseparator,
der vorgereinigte Fluidstrom wird in einem Verdichter verdichtet
und im zweiten Massenträgheitsseparator von
noch vorhandenen Partikeln gereinigt, bevor er diesen zweiten Massenträgheitsseparator
verlässt. Die
Reinigung des Fluidstrom durch den Massenträgheitsseparator geschieht dadurch,
dass beim Durchleiten des Fluidstroms durch den Massenträgheitsseparator
der Fluidstrom in Rotation versetzt wird, wobei die im Fluidstrom
vorhandenen Partikel eine gewisse Massenträgheit aufweisen und im Verlauf
des Fluidstroms mit Abscheidewänden
in Kontakt kommen, sich dabei an diesen abscheiden und durch ihre
Trägheit
nicht dem restlichen Fluidstrom folgen können. Der Massenträgheitsseparator
kann z.B. ein Einzelzyklonabscheider, ein System von wenigstens
zwei Zyklonabscheidern, welche parallel oder in Reihe geschaltet
sein können,
oder auch ein Tellerseparator oder sonstige im Stand der Technik bekannte
Separatoren, welche mittels der Trägheit der im Fluidstrom enthaltenen
Partikel arbeiten, sein. Der in diesem System vorhandene Verdichter
kann z.B. ein Abgasturbolader oder ein mechanisch oder elektrisch
oder auch hydraulisch oder pneumatisch angetriebener Kompressor
sein. Bevorzugt wird hier ein Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine
genannt. Bedingt durch die erste Vorabscheidung des ersten Massenträgheitsseparators,
wird der Fluidstrom soweit von Partikeln befreit, dass der nachgeschaltete
Verdichter keinen Schaden nehmen kann. Da durch den vorhandenen Überdruck
in den wenigstens zwei Massenträgheitsseparatoren
der Staubaustrag der gesammelten Partikel durch Bohrungen, geschaltete
Klappen oder Ventile erfolgt, weist dieses System eine nahezu unbegrenzte
Standzeit auf. Es muss weder ein Filtermedium gewechselt werden,
noch eine intervallmäßige Reinigung
bzw. ein vorsätzlicher
Staubaustrag erfolgen; dies ergibt den Vorteil, dass eine mit diesem
System ausgestattete Brennkraftmaschine unterbrechungs frei arbeiten kann.
Weiterhin fällt
bei diesem System kein zu reinigendes oder zu entsorgendes Filterelement
an, welches den wirtschaftlichen Aspekt dieses Systems stark erhöht. Das
System ist einfach aufgebaut und kann unter sehr unterschiedlichen
Einsatzbedingungen eingesetzt werden. So lässt es sich in Kraftfahrzeugen
jedweder Art oder auch in Industrie- und Landmaschinen einsetzen,
wobei keine Einschränkung
des Einsatzes stattfindet.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Verdichter
und dem zweiten Massenträgheitsseparator
korrespondierend ein Ladeluftkühler
angeordnet. Hierbei weist der Ladeluftkühler einen Auslass und einen
Einlass auf, wobei der Einlass des Ladeluftkühlers mit einem Auslass des
Verdichters korrespondierend verbunden ist und der Auslass des Ladeluftkühlers mit
einem Einlass des zweiten Massenträgheitsseparators korrespondierend
verbunden ist. Durch den Einsatz eines Ladeluftkühlers wird der aus dem Verdichter
kommende Fluidstrom abgekühlt,
und somit ergibt sich eine Verringerung des Volumens des durchgeströmten Fluides,
welches wiederum eine Erhöhung
des Füllungsgrades
der mit dem Fluidstrom versorgten Brennkraftmaschine bewirkt. Die
Erhöhung
des Füllungsgrades
bewirkt eine Effektivitätssteigerung
der Brennkraftmaschine, welche sich in einer höheren Leistung und einem geringeren
Verbrauch äußert. Bevorzugt
arbeitet der Ladeluftkühler
nach dem Prinzip eines Flüssigkeitskühlers, es
sind jedoch sämtliche
im Stand der Technik bekannten Systeme zur Abkühlung von Fluidströmen einsetzbar.
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Eine
vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgedanken ist dadurch gekennzeichnet,
dass im Anschluss an den zweiten Massenträgheitsseparator ein Filter
vorgesehen ist, wobei ein Einlass des Filters mit einem Auslass
des zweiten Massenträgheitsseparators
korrespondierend verbunden ist. Diese Ausführung ist gedacht für Brennkraftmaschinen,
die bezüglich
der Reinheit des einströmenden
Fluides sehr anspruchsvoll sind. Der nachgeschaltete Filter kann, wie
bei einem Luftfilter, aus einem Gehäuse mit einem darin angeordneten
vom Fluid durchströmten Filtermedium
ausgeführt
sein, es können
jedoch auch Ölbadluftfilter
oder andere im Stand der Technik bekannte Luftfilter zur Abreinigung
von Partikeln aus einem Fluidstrom verwendet werden. Bedingt durch die
sehr hohe Vorabscheidung der beiden vorangeschalteten Massenträgheitsseparatoren,
kann dieser Filter jedoch entweder sehr kompakt oder mit einer sehr
hohen Standzeit ausgeführt
werden. Dieses ergibt den Vorteil von sehr hohen Wechselintervallen oder
einem sehr kompakten Bauraum des Gesamtsystems.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der zweite Massenträgheitsseparator und
der Filter integral in einem Gehäuse
angeordnet, wobei der Filter wirksam in Fluidströmungsrichtung hinter dem Massenträgheitsseparator
angeordnet ist. Hierdurch lässt
sich wiederum eine besonders kompakte Ausführungsform des Systems zur
Entfernung der Partikel realisieren. Massenträgheitsseparator und Filter
können
dabei in einem unabhängig
von beiden gestalteten Gehäuse
untergebracht und korrespondierend miteinander verbunden sein. Es
ist jedoch auch denkbar, dass der Filter in das Gehäuse des
zweiten Massenträgheitsseparators
integriert wird, oder der zweite Massenträgheitsseparator in das Gehäuse des
Filters mit integriert wird. Vorteilhaft lässt sich hierbei in allen Fällen der
Filtereinsatz werkzeuglos und schnell wechseln.
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Weiterhin
ist vorteilhaft, wenigstens einen Massenträgheitsseparator als Vielzellenzyklon
auszuführen.
Ein Vielzellenzyklon ist dann gegeben, wenn wenigstens zwei Zyklonzellen
parallel zueinandergeschaltet werden. Bevorzugt ist jedoch eine
Vielzahl von Zyklonen zu einem Vielzellenzyklon zusammengeschlossen.
Der Austrag des herausgefilterten Staubes erfolgt z.B. durch den
vorhandenen Überdruck,
durch Bohrungen, geschaltete Klappen oder Ventile. Ebenso ist die
Verwendung eines Umkehrzyklons denkbar. Dadurch, dass – abgesehen
vom Staubaustrag – keine
beweglichen Teile im Vielzellenzyklon vorhanden sind, ist dieses
als Lebensdauerbauteil anzusehen und bedarf so gut wie gar keiner Wartung.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist wenigstens ein Massenträgheitsseparator als Vielzellen-Doppelzyklonblock
ausgeführt.
Dies bedeutet eine Zusammenschaltung von wenigstens zwei Zyklonzellen
parallel zu einem Vielzellenzyklon und zu diesem Vielzellenzyklon
in Reihe ein weiterer Vielzellenzyklon. So ergibt sich bei einer äußerst kompakten
Bauweise ein sehr effizientes System zur Ausfilterung von Feststoffen
aus einem Gasstrom.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Massenträgheitsseparator als
Zentrifugalabscheider, insbesondere Tellerseparator, ausgeführt. Bei
den Zentrifugalabscheidern handelt es sich um Trägheitsabscheider, wobei sich die
für die
Abscheidung verfügbaren
Kräfte
im Zentrifugalfeld deutlich erhöhen
lassen, so dass auch feinste Teilchen abgeschieden werden können. Zentrifugalabscheider
benötigen
einen Antrieb, und so kann die Abscheideleistung über die
Drehzahl der Zentrifuge unabhängig
von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine eingestellt werden.
Ein möglicher
Druckverlust an einem solchen Abscheider ergibt sich aus seiner
Konstruktion, im Extremfall ist es sogar möglich, den Druck zu erhöhen. Die
oben genannten Beispiele sollen exemplarisch für zu verwendende Massenträgheitsseparatoren
stehen, es sind jedoch alle weiteren im Stand der Technik bekannten
Massenträgheitsabscheider
in diesem System zu verwenden.
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In
einer speziellen, vorteilhaften Ausführungsform besteht das System
zur Entfernung von Partikeln aus einem Fluidstrom aus einem ersten Vielzellen-Doppelzyklonblock,
einem in Strömungsrichtung
folgenden Abgasturbolader, welcher in Strömungsrichtung folgend mit einem
Ladeluftkühler
verbunden ist und wobei der Ladeluftkühler wiederum in Strömungsrichtung
folgend mit einem weiteren Vielzellen-Doppelzyklonblock verbunden
ist. Bei dieser Anordnung wird die Rohluft zunächst einmal durch den ersten
Vielzellen-Doppelzyklonblock
soweit vorgereinigt, dass sie daraufhin – ohne Schaden zu verursachen – durch
einen Abgasturbolader verdichtet werden kann und anschließend durch
einen daran angeschlossenen Ladeluftkühler abgekühlt werden kann. Restliche
evtl. vorhandene Partikel, welche möglicherweise zu einer Schädigung der
Brennkraftmaschine führen
können,
werden in dem zweiten auf den Ladeluftkühler folgenden Vielzellen-Doppelzyklonblock
abgeschieden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung dieser Anordnung folgt auf den zweiten Vielzellen-Doppelzyklonblock
ein zusätzlicher
Filter, welcher aus einem Filtereinsatz und einem Filtergehäuse besteht.
Mit diesem Filter können
evtl. noch vorhandene Feinstpartikel ausgefiltert werden, wobei
es hier möglich
ist, jegliche im Stand der Technik bekannte Filter zur Luftfilterung
von Brennkraftmaschinen zu verwenden. Die Auslegung des Filters
hängt hierbei
u.a. von dem zu tolerierenden Druckverlust und der Filterstandzeit
ab. Diese ist durch die starke Vorfilterung durch die beiden Vielzellen-Doppelzyklonblöcke sehr
hoch, was zu sehr hohen Wechselintervallzeiten und damit zu einer
Kostenersparnis führt.
Dieser zusätzliche
Filter kann bei besonders sensiblen Hochleistungsmotoren notwendig
sein. Ein weiterer Vorteil der äußerst intensiven
Vorreinigung durch die beiden Vielzellen-Doppelzyklonblöcke ist
die dadurch mögliche
kleine und kompakte Ausführungsform
des angeschlossenen Filters.
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Diese
und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung
gehen außer
aus den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor, wobei die einzelnen
Merkmale jeweils für
sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei
der Ausführungsform
der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für
sich schutzfähige
Ausführungen
darstellen können,
für die
hier Schutz beansprucht wird.
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Zeichnung
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematischen
Ausführungsbeispielen
beschrieben. Hierbei zeigt
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1 ein Modul für einen
Vielzellenzyklon, bestehend aus Grundkörper und Zusatzkörper in
perspektivischer Ansicht,
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2 ein Gehäuse, in
das Module gemäß 1 einsetzbar sind, im Mittelschnitt,
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3 ein Blockschaltbild einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Systems.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die 1 und 2 dienen zur Erläuterung des Standes der Technik
im Bereich der Zyklone stellvertretend für Massenträgheitsseparatoren.
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In 1 ist ein Modul 10 vor
dem Zusammenbau entsprechend der angedeuteten Pfeile 11 dargestellt.
Dies besteht aus einem Grundkörper 12 und
einem Zusatzkörper 13.
Der Grundkörper
bildet eine Ansaugung 14, die durch die rohseitige Mündung von
Zyklonzellen 15 gebildet ist. In diesen Mündungen
sind Leitschaufeln 16 zu erkennen, welche einteilig, hinterschneidungsfrei
mit dem Grundkörper 12 ausgebildet
sind. Daher lässt
sich das gezeigte Teil durch zwei Formhälften in Spritzgusstechnik
herstellen, indem diese in Richtung der Pfeile 11 zusammen-
und nach dem Spritzgießvorgang
wieder auseinandergeführt
werden. Selbiges gilt auch für
das Zusatzteil 13.
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Das
Zusatzteil 13 bildet eine Auslassseite 17, welche
gleichzeitig als Deckel zum Abschluss eines durch den Grundkörper gebildeten
in 1 nicht erkennbaren
Sammelraums 18 vorgesehen ist. In der dadurch entstehenden
Trennfuge ist eine Öffnung 19 gebildet,
die einen Austrag des im Sammelraum 18 befindlichen abgeschiedenen
Substrats erlaubt. Das Substrat gelangt aus den Zyklonzellen 15 durch
einen Ringspalt, der dadurch gebildet wird, dass die in der Darstellung
gemäß 1 nach oben zeigenden Mittelrohre 20 in
die Zyklonzellen eintauchen. Das Innere der Mittelrohre bildet Löcher in
der Auslassseite 17, die einem Transport des gereinigten
Fluides dienen. Insgesamt bilden die Außenseiten des Grundkörpers 12 und
des Zusatzkörpers 13 ein
Modulgehäuse 21.
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2 zeigt ein Gehäuse 22,
welches zum Zwecke der Integration von Modulen gemäß 1 Aufnahmen 23 aufweist.
Hierzu sind im Gehäuse Rippen 24 ausgebildet,
die mit entsprechenden Schlitzen 25 (s. 1) der Module korrespondieren. Die Aufnahmen
sind weiterhin mit einem Durchbruch 26 versehen, der mit
den Öffnungen 19 der
Module dahingehend korrespondiert, dass diese in einen Ringkanal 27 münden, der
alle Module umgibt. Zur Aufnahme eines nicht dargestellten Gehäusedeckels ist
eine Flanschverbindung 28 vorgesehen. Durch die Hintereinanderschaltung
und Verbindung von zwei Vielzellenzyklonen 10 ergibt sich
ein Doppelzyklon 29a, 29b. Bevorzugt werden hierzu
zwei Modulgehäuse 21 in
einem weiteren Gehäuse
(hier nicht dargestellt) analog zu Gehäuse 22 angeordnet.
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3 zeigt ein Blockschaltbild
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Systems.
Das System weist zwei Massenträgheitsseparatoren 29a und 29b,
einen Verdichter 30, einen Kühler 31 und einen
Filter 32 auf. Das zu reinigende Fluid, insbesondere Ansaugluft,
strömt
in den ersten Massenträgheitsseparator 29a,
welcher bevorzugt als Doppelzyklon ausgeführt ist, ein und wird von diesem
vorgefiltert. Die so vorgereinigte Luft verlässt den ersten Massenträgheitsseparator 29a und
wird im Verdichter 30, welcher vorzugsweise ein Abgasturbolader oder
ein Kompressor ist, stark verdichtet. Das Abscheideverhalten des
Massenträgheitsseparators 29a muss
so ausgelegt sein, dass die noch im Fluid verbleibenden Partikel
im Verdichter 30 keinen Schaden anrichten können. Die
so verdichtete Luft verlässt
den Verdichter 30 und wird in einem Kühler 31 abgekühlt. Der
Kühler 31 ist
bevorzugt ein wassergekühlter
Ladeluftkühler,
welcher zur Verbesserung des Füllungsgrades
der in Strömungsrichtung
am Ende dieses Systems liegenden Brennkraftmaschine dient. Die heruntergekühlte Ansaugluft
verlässt
den Kühler 31 und
durchläuft
nun verdichtet den zweiten Massenträgheitsseparator 29b,
welcher bevorzugt auch als Doppelzyklon ausgeführt ist. Aufgrund der Aufladung
im Verdichter 30 ergeben sich hier im zweiten Massenträgheitsseparator 29b sehr
viel höhere
Strömungsgeschwindigkeiten,
wodurch eine weitere Abscheidung von Partikeln erfolgt. Die nun
nahezu partikelfreie immer noch verdichtete Luft verlässt nun den
Massenträgheitsseparator 29b und
durchläuft
einen Filter 32. Der Filter 32 ist bevorzugt ein
Standardluftfilter mit Gehäuse
und Luftfiltereinsatz, wobei jedoch aufgrund der sehr guten Vorreinigung
durch die Massenträgheitsseparatoren 29a, 29b nur
ein sehr kleines kompaktes Element notwendig ist. Ebenso weist der
Filter 32 durch die sehr gute Vorabscheidung sehr hohe
Standzeiten auf. Der Filter 32 ist, wie weiter oben erwähnt, jedoch
nur bei sehr empfindlichen Motoren oder Hochleistungsmotoren notwendig.
Im Anschluss an den Filter 32 wird die so gereinigte und
verdichtete Luft einer Brennkraftmaschine zugeführt. Das hier ge zeigte System
stellt sozusagen die höchste
Ausbaustufe dieses Systems dar, es ist jedoch in Abhängigkeit
der geforderten Reinheit des Fluides bzw. der angeschlossenen Brennkraftmaschine
genausogut möglich,
durch Weglassen einiger Systemteile zu einem weitaus einfacheren
System zu kommen. So lassen sich die einzelnen Teile innerhalb eines
Baukastens der geforderten Endreinheit anpassen. Zur Erläuterung
könnte
ein gefordertes Minimalsystem nur aus einem in Strömungsrichtung
aufeinanderfolgenden Massenträgheitsseparator 29a und
einem Verdichter 30 bestehen, wobei die aus dem Verdichter 30 kommende
verdichtete Ansaugluft direkt der Brennkraftmaschine zugeführt werden
kann, sofern diese unempfindlich gegenüber Staubpartikeln ist oder
eine sehr geringe Staubbelastung in der Umgebung vorliegt.