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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abscheidung von Flüssigkeiten aus einem Gasstrom nach Anspruch 1, sowie ein Verfahren zur Abscheidung von Flüssigkeiten aus einem Gasstrom nach Anspruch 11. Bei dem Gasstrom handelt es sich beispielsweise um einen Ansaugluftstrom einer Brennkraftmaschine.
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Es ist aus der
DE 31 40 342 eine Vorrichtung bekannt, die aus folgenden Merkmalen besteht.
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Zwischen einem Einlass und einem Auslass liegt ein Abscheidebereich, der in Strömungsrichtung in einen Sammelraum übergeht. Der Sammelraum wird an der Auslassseite durch einen ringförmigen Trennkörper gebildet. Entgegen der Strömungsrichtung ist der Sammelraum geöffnet. Flüssigkeiten, die sich bereits vor dem Einlass an den Rohrwandungen abgelagert haben, strömen ebenso durch den Abscheidebereich in den Sammelraum. In dem Sammelraum ist ein Ablaufstutzen vorgesehen, durch welchen die sich ansammelnde Flüssigkeit abgeleitet wird. Der Sammelraum ist innerhalb des Einlassquerschnitts angeordnet. Der Querschnitt der Auslassseite wird durch den inneren Durchmesser des Trennkörpers bestimmt, welcher kleiner ist als der Einlassquerschnitt.
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Die abzuscheidenden Medien, Öle oder andere Flüssigkeiten, lagern sich ab und fließen der Strömungsrichtung folgend zum Sammelraum. Der ringförmige Trennkörper verhindert eine weitere Bewegung der Öle in Richtung Auslass. Über den Ablaufstutzen werden die Öle aus dem Sammelraum ausgetragen.
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Nachteilig an der beschriebenen Abscheidung ist, dass durch die ringförmige Anordnung des Trennkörpers an der Auslassseite eine Querschnittsverengung im Gasstrom erzeugt wird, welche einen Druckverlust zu Folge hat. Kommt es im Gasmedium zum Auftreten von größeren Flüssigkeitsmengen (Flüssigkeitsschwall), so ist das Sammelvolumen durch die Länge des Trennkörpers und des Ablaufquerschnittes begrenzt. Ein auftretender Flüssigkeitsschwall würde beim Übersteigen des Sammelvolumens direkt durch den Auslass gespült und nachfolgende Komponenten beschädigen.
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Aus der Patentschrift
US 6576031 B1 ist eine Abscheidevorrichtung bekannt, welche eine dreiteilige Gasstromleitung mit einem Einlass, einem konischen Abschnitt, und einem Auslass, sowie einen die Gasstromleitung umgebenden Tropfenabscheider aufweist. Der Durchmesser des konischen Abschnitts ist stets geringer als der Durchmesser des Einlasses und nimmt in Strömungsrichtung ab.
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DE 19703420 B4 beschreibt einen Fremdstoffabscheider mit einer Gasstromablenkungseinrichtung in Form einer schrägen Platte, die sich von einer Innenwandfläche des Fremdstoffabscheiders in den Gasstrom erstreckt, um den Gasstrom auf einen Wandabschnitt des Fremdstoffabscheiders abzulenken, und einer taschenförmigen Fremdstoffauffangeinrichtung, die an besagtem Wandabschnitt angeordnet ist.
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Aus der
US 4257793 A ist eine Abscheidevorrichtung bekannt, wobei der Gasstrom von einer Hauptleitung in eine Nebenleitung eingeleitet wird, welche mit dem stromabwärtigen Endbereich der Hauptleitung verbunden ist und eine andere Richtung als diese einschlägt. Eine Abscheideplatte ist stromab der Verbindungsstelle der beiden Leitungen angeordnet. Weiter stromabwärts befindet sich ein Austragelement.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung, beziehungsweise ein Verfahren zur Abscheidung von Flüssigkeiten aus einem Gasstrom zu schaffen, wobei konstante Drücke erzeugbar sind und die Flüssigkeiten zuverlässig aus dem Gasstrom abgeschieden werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abscheidung von Flüssigkeiten aus einem Gasstrom eignet sich insbesondere zur Anwendung im Ansaugluftstrom einer Brennkraftmaschine, welche z. B. in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist.
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Die Vorrichtung verfügt über einen Einlass, einen Auslass und einen dazwischen liegenden Abscheidebereich mit einem Sammelraum. Der Sammelraum, in welchem die im Gasstrom vorhandene Flüssigkeit gespeichert wird, ist in einem Teilbereich von einem Trennkörper überdeckt. Der Trennkörper kann z. B. als Metallblech oder als Kunststoffplatte ausgeführt sein, wobei der Trennkörper gewölbt, geknickt oder als ebene Fläche ausgeführt ist. Der Trennkörper kann durch Kleben, Schrauben, Nieten, Schweißen, Klipsen befestigt werden oder fest ins Gehäuse eingegossen sein.
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Durch einen ersten Strömungsquerschnitt strömt der Gasstrom in den Abscheidebereich, wo die Flüssigkeit abgeschieden wird. Der entfeuchtete Gasstrom strömt anschließend zum Auslass, welcher in einem zweiten Strömungsquerschnitt vorzugsweise dem ersten Strömungsquerschnitt entspricht. Der Sammelraum liegt außerhalb des Strömungsquerschnittes, der hauptsächlich durchströmt wird. Dadurch wird die Strömung des Gasstromes durch keine Verengung geführt, wodurch der Druckverlust wesentlich verringert wird.
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Durch eine sprunghafte Querschnittserweiterung nach dem Einlass im Abscheidebereich, sowie der insbesondere im strömungsberuhigtem Randbereich vergrößerten Oberfläche wird die Ablagerung von Flüssigkeiten im Abscheidebereich vorteilhaft ermöglicht. Zwischen Einlass und Auslass fließt die im Sammelraum abgelagerte Flüssigkeit ab. Durch den unterhalb des Strömungsquerschnittes vorhandenen Trennkörper, der sich in Strömungsrichtung über einen Teilbereich der Vorrichtung erstreckt, wird der abgegrenzte Sammelraum gebildet. Der Trennkörper kontrolliert den Weiterfluss der gesammelten Flüssigkeit aus dem Sammelraum insofern, dass kein Wasser im Schwall in den Auslass gelangen und dort Bauteile z. B. einen Luftmassenmesser beschädigen kann.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Sammelraumes wird dadurch erreicht, dass der Trennkörper an der dem Auslass zugewandten Seite dicht mit der Wandung des Trennbereiches verbunden ist. Somit entsteht ein halb geschlossenes Sammelvolumen, welches entgegen der Strömungsrichtung geöffnet ist. Hierdurch kann auch unter unruhigen Bedingungen, welche z. B. im Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeuges auftreten, ein Weiterströmen der Flüssigkeit in Richtung Auslass minimiert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung besteht in der abgestimmten Perforierung des Trennkörpers. Der strömungsseitige Teilbereich des Trennkörpers wird dabei geschlossen ausgeführt. Somit bildet sich ein Mindestvolumen, welches immer vom Strömungsquerschnitt abgetrennt ist. Im Teilbereich entgegen der Strömungsrichtung kann durch Löcher eine Perforation angebracht werden, die mit den maximal zu erwartenden Wassermengen im Einlass und der maximal tolerierbaren Wassermenge im Auslass abgestimmt werden kann. Je größer die aus Lochanzahl und Durchmesser resultierende Querschnittsfläche ist, um so höher wird die zudosierte Wassermenge im Auslass. Kleinere Löcher bewirken eine bessere Zerstäubung der Flüssigkeit im Auslass. Eine einfache Variante der Perforierung stellt die Einarbeitung von Schlitzen in der Randzone des Trennkörpers dar. Auch bei dieser Variante ist der Trennkörper in dem, dem Auslass zugewandten geschlossenen Abschnitt, geschlossen ausgeführt.
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Vorteilhafterweise ist eine Öffnung in dem Sammelraum angeordnet, durch welche die im Sammelraum befindliche Flüssigkeit aus dem Sammelraum ausgetragen wird. Bei einer optimierten Ausführungsform ist der Sammelraum schräg gestaltet, wobei die Öffnung am tiefsten oder bei mehreren Öffnungen an verschiedenen Tiefpunkten angeordnet ist.
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Es ist vorteilhaft, die im Sammelraum enthaltene Flüssigkeit durch die Öffnung mittels eines Rohres, insbesondere eines Lambda 3/4 Rohres, welches zur akustischen Dämpfung beiträgt, an die Umgebung oder an einen Flüssigkeitssammelbehälter abzuleiten. In Verbindung mit einem Sensor im Luftstrom kann somit z. B. der sehr flüssigkeitssensible Luftmassenmesser einer Brennkraftmaschinen umgangen werden, wenn die Flüssigkeit nach dem Luftmassenmesser wieder in die Strömung eingeleitet wird. In diesem beschriebenen Fall ist die Vorrichtung auch im reinluftseitigen Bereich einsetzbar, da das System geschlossen ist.
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Wird die Rohrverbindung korrespondierend mit weiteren Volumenkörpern verbunden, so eröffnet sich, besonders beim Einsatz in Brennkraftmaschinen, die Möglichkeit, die im Saugtrakt auftretende Luftpulsation durch die Rohrverbindung in ein Resonanzvolumen zu führen. Hierdurch werden akustische Abstimmungsmöglichkeiten geschaffen, welche im Regelfall zur besseren Schallpegeldämpfung genutzt werden können. Auch mit mindestens einer Rohrverbindung ohne Volumenkörper eröffnet sich die Möglichkeit, das Rohr durch Ventile zu verschließen und somit die Möglichkeit, ein Resonanzvolumen zu schaffen und das akustische Verhalten zu abzustimmen.
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Ein vorteilhafter Effekt wird erreicht, wenn der Querschnitt des Ableitrohres dem Öffnungsquerschnitt des Sammelraumes entspricht. Dadurch wird im Rohr eine laminare Strömung ermöglicht, was besonders die beschriebenen akustischen Effekte weiter begünstigt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt durch die Möglichkeit ihrer Ausgestaltungen die Verwendung von im Vorrichtungs- und Maschinenbau üblicherweise verwendeten Materialien, vorzugsweise Kunststoff oder Blech, zu. Die Grundelemente können sowohl in zylindrischer Form als auch kubisch ausgeführt sein. Eine mögliche Anwendung der Erfindung kann im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine erfolgen. Dabei ergibt sich auch die Möglichkeit, die Erfindung in ein Luftfiltersystem zu integrieren und hier die vorteilhaften Merkmale für Strömung, Sensorik und Akustik zu nutzen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht bei konstanten Druckverhältnissen das Abscheiden von Flüssigkeiten aus einem Gasstrom. Hierbei wird das durch den Einlass strömende Gas geradlinig durch den insbesondere im Querschnitt vergrößerten Abscheidebereich geführt, wodurch sich ein minimaler Druckverlust des Gasstromes ergibt. Die im Gasstrom enthaltenen Flüssigkeitspartikel lagern sich an der Wandung des Abscheidebereiches ab und fließen der Schwerkraft folgend in den unterhalb des Strömungsquerschnittes angeordneten Sammelraum, welcher in einem auf der Auslassseite liegenden Teilbereich durch einen Trennkörper vom Abscheidebereich abgetrennt ist. Flüssigkeiten, die in Tropfen- oder auch in Schwallform auftreten, fließen direkt in den Sammelraum. Das Abfließen der Flüssigkeiten wird vor allem durch den strömungsberuhigten Randbereich erleichtert. Die im Sammelraum befindliche Flüssigkeit kann je nach Ausführung durch eine oder mehrere Öffnungen abfließen oder wird bei unruhigen Verhältnissen durch die Perforation des Trennkörpers gedrückt und von dem, in den Auslass strömenden Gasstrom mitgerissen.
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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 nachfolgend anhand von schematischen Ausführungsbeispielen beschrieben. Nachfolgende Figuren besitzen für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen. Hierbei zeigt
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1 eine Vorrichtung zur Abscheidung von Flüssigkeiten im Vollschnitt,
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2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung im Vollschnitt gemäß 1,
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3 eine alternative Ausgestaltung der Vorrichtung seitlich im Vollschnitt,
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4 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 3 im Vollschnitt,
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5 eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit in der Seitenansicht im Schnitt und
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6 die Verbindung der Rohrleitung 21 zum Ablaufstutzen im Schnitt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine Vorrichtung zur Abscheidung von Flüssigkeiten aus einem Gasstrom. Die Vorrichtung verfügt über zwei zylindrische Öffnungen, die einen Einlass 10 und einen Auslaß 11 bilden und koaxial angeordnet sind. Der Abscheideraum 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel in quadratischem Querschnitt ausgeführt, es ermöglicht sich jedoch ebenso eine rechteckige, runde, ovale oder polygone Querschnittsgestaltung. Das Gas wird durch das Gehäuse vom Einlass 10 zum Auslass 11 hin geführt und durchströmt dabei einen außerhalb des Strömungsquerschnitts liegenden Abscheidebereich 12. Unterhalb des Strömungsquerschnitts wird durch die Anordnung eines Trennkörpers 14 ein Sammelraum 13 abgegrenzt. Der Trennkörper 14 ist in Strömungsrichtung bis zur Auslasseite 11 geführt, weiterhin ist er an der Randzone zum Abscheidebereich 12 derart gestaltet, dass ein Abfließen des flüssigen Mediums in den Sammelraum möglich ist. Dies wird durch Randaussparungen 24 erreicht, die aufgrund der strömungsberuhigten Verhältnisse am seitlichen Übergang zum Abscheidebereich 12 angebracht sind. Die flüssigen Anteile des Gases und insbesondere auftretende Wasserschwalle fließen durch die Schwerkraft aus dem Gasstrom nach unten in den Sammelraum 13 oder lagern sich an der Oberfläche des strömungsberuhigten Abscheidebereichs 12 ab und fließen dann ebenfalls nach unten in den Sammelraum 13. Durch den Trennkörper 14 wird die im Sammelraum 13 befindliche Flüssigkeit auch bei unruhigen Bewegungszuständen, beispielsweise bei der Anwendung in einem Fahrzeug, im Sammelraum 13 zurückgedrängt. Im Falle eines Überlaufs der gesammelten Flüssigkeit kann diese nur in kleinen Tropfen verteilt in den weiteren Gasstrom fließen, da die Randaussparrungen 24 im Trennkörper 14 aufgrund ihres Querschnitts nur einen dosierten Durchfluss zulassen. Eine weitere Möglichkeit, die angesammelte Flüssigkeit aus dem Sammelraum 13 zu entfernen, wird durch die Anbringung eines Ablaufstutzens 20 dargestellt. Der Ablaufstutzen 20 kann an jedem tiefliegenden Punkt des Sammelraums 13 angebracht werden. Die Flüssigkeit kann durch den Ablaufstutzen 20 zu jedem beliebigen tieferliegenden Punkt außerhalb der Vorrichtung oder auch an ein Sauganschluß 22 im Saugsystem, an welchem ein atmosphärischer Unterdruck anliegt, weitergeführt werden. Somit wird es ermöglicht, feuchtigkeitsempfindliche Sensorik 25 im Saugsystem zu umgehen.
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Da die Oberfläche des Abscheidebereiches 12 außerhalb des Strömungsquerschnittes 15 liegt, bildet sich eine strömungsberuhigte Oberfläche, auf der die abgeschiedene Flüssigkeit an dem Trennkörper 14 vorbei zum Sammelraum 13 fließen kann.
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2 zeigt die Randaussparrungen 24 im seitlichen Randbereich des Trennkörpers 14. Der 1 entsprechende Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die am seitlichen Rand des Trennkörpers 14 angeordneten Randaussparungen ermöglichen ein Abfließen von Flüssigkeiten in den Sammelraum.
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3 zeigt in einer weiteren Variante einen Trennkörper 14, der einen perforierten Abschnitt 19 und einen geschlossenen Abschnitt 18 aufweist, wobei der geschlossene Abschnitt 18 in Strömungsrichtung eine dichtende Verbindung mit dem Abscheidebereich 12 aufweist. Hierdurch wird ein Abfluß der Flüssigkeit durch den perforierten Abschnitt 19 des Trennkörpers 14 ermöglicht. Im auslassseitigen Bereich kann die Flüssigkeit nicht aus dem Sammelraum 13 in den Auslass 11 gelangen, da dieser Bereich dichtend abgedeckt ist. Gelangt die im Sammelraum 13 befindliche Flüssigkeit zum perforierten Abschnitt 19 des Trennkörpers 14, so wird sie durch die Perforation und den Luftstrom zerstäubt.
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Der im Tiefbereich des Sammelraumes 13 angeordnete Ablaufstutzens 20 ist mit einer Rohrleitung 21 verbunden, wodurch die Pulsationsspitzen in der Vorrichtung vermindert werden und eine akustische Verbesserung erreicht wird. Eine akustische Optimierung wird auch durch die Anordnung des Ablaufstutzens 20 ohne Rohrleitung 21 erreicht.
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Wird der Ablaufstutzen 20 durch eine Rohrleitung 21 korrespondierend mit einem Volumenkörper 23 verbunden, so ergeben sich weitere akustische Abstimmungsmöglichkeiten z. B. durch die Dimensionierung von Leitungsquerschnitt, Leitungslänge und Volumengröße.
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4 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der Perforation des perforierten Abschnittes 19. Den vorangegangenen Figuren entsprechende Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 5 wird der Trennkörper 14 entgegen der Strömungsrichtung schräg fallend angeordnet. Hierdurch kann in Schwallform auftretende Flüssigkeit begünstigt durch die Ablaufschräge in den Sammelraum abfließen. Durch den seitlich mit dem Abscheidebereich 12 abschließenden Trennkörper 14 wird die abgeschiedene Flüssigkeit auch hier vom Auslass 11 zurückgehalten.
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6 zeigt, wie der Strömungsquerschnitt des Ablaufstutzens 20 ohne Absatz in die Rohrleitung 21 weitergeführt wird. Dadurch optimiert sich bedingt durch die laminare Strömung der akustische Effekt.
