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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein System zur Entfernung von Partikeln aus einem Gasstrom eines Ansaugsystems einer aufgeladenen Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1.
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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 Standardluftfilter verursacht wird, auf die Performance der Brennkraftmaschine aus. Beispielsweise sind aus der
DE 101 63 781 A1 und der
DE 42 37 128 A1 Wirbelabscheider und aus der
DE 24 21 358 A1 sowie der
DE 23 29 248 A1 zweistufige Staubabscheider bekannt.
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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 unterbrechungsfrei 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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Erfindungsgemäß 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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Zeichnungen
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Zeichnungen anhand von schematischen Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei zeigt
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1 zur Erläuterung des Standes der Technik ein Modul für einen Vielzellenzyklon, bestehend aus Grundkörper und Zusatzkörper in perspektivischer Ansicht,
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2 zur Erläuterung des Standes der Technik 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 gezeigte 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.
