DE19822183A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Abscheiden von Partikeln in einem Fluidstrom - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abscheiden von Partikeln in einem Fluidstrom mit einem im Fluidstrom angeordneten Fliehkraftabscheider (12). Hierbei ist im Fliehkraftabscheider (12) integral eine zusätzliche Fluidbeschleunigungseinrichtung (14) vorgesehen, welche eine Geschwindigkeit des Fluids in Umfangsrichtung im Fliehkraftabscheider (12) erhöht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von Partikeln in einem Fluidstrom mit einem im Fluidstrom angeordneten Fliehkraftabscheider, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Abscheiden von Partikeln in einem Fluidstrom mit einem im Fluidstrom angeordneten Fliehkraftabscheider, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Bei Brennkraftmaschinen und insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschinen, ergibt sich das Problem, daß Schwebeteilchen im Abgas, wie beispielsweise Rußpartikel, wegen deren umweltbelastenden Eigenschaften nicht an die Umgebung gelangen sollen. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, einen Rußfilter im Abgastrakt vorzusehen, welcher Ruß­ partikel mechanisch ausfiltert und zurückhält. Dies hat jedoch den Nachteil, daß dieser mechanische Filter in Abhängigkeit von seiner Kapazität nach entsprechenden Interval­ len gewartet, regeneriert, ausgewechselt oder vernichtet werden muß.

Um dies zu verbessern offenbart die DE 38 30 761 A1 eine Vorrichtung zur Abgasreini­ gung von Dieselmotoren, wobei Rußpartikel zentrifugal in einem spiralförmigen Gehäuse an einer radial äußeren Umfangsfläche abgeschieden und von Heizelementen im Bereich der Umfangsfläche verbrannt werden. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß lediglich Rußpartikel bis zu einer Größe von minimal 1 µm abgeschieden werden. Kleine­ re Partikel verbleiben im Abgasstrom und müssen ggf. in einem zusätzliche Filter aufge­ nommen werden. Ferner verschlechtert sich die Abscheidung von Rußpartikeln mit zu­ nehmenden Durchsatz von Abgas, beispielsweise bei hohen Drehzahlen der Brennkraft­ maschine, erheblich.

In gleicher Weise ist es aus der DE 43 36 847 A1 bekannt, eine Vorrichtung zur Parti­ kelabscheidung im Abgas von aufgeladenen Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselmotoren, mit einem Abgassammelrohr und einer Abgasturbine eines Abgasturbola­ ders vorzusehen. Hierbei ist stromaufwärts der Abgasturbine ein Partikelabscheider und stromabwärts des Partikelfilters ein Fliehkraftabscheider vorgesehen. Auch diese Anord­ nung hat jedoch die vorgenannten Nachteile.

Die DE 37 35 106 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausscheiden von Flüssigkeitsteilchen aus Gasen, insbesondere von Aerosolen aus Abgasen. Hierbei werden die Abgase in einem Radialgebläse zentrifugiert und in einem Zyklon getrennt. Bei der Vorrichtung ist eine Ausströmöffnung eines Radialgebläses mit einer Einströmöff­ nung eines Zyklons verbunden, wobei ein Gasabzug des Zyklons mit einem zentral in einem Zyklondeckel angeordneten Tauchrohr gebildet ist, durch welches Gas in eine Nachreinigungsstufe aus einem oder mehreren Filtern geleitet wird. Das dem Zyklon vor­ gelagerte Radialgebläse dient jedoch lediglich zum Fördern des Gases in die Vorrichtung. Eine weitere Erhöhung der Geschwindigkeit in Umfangsrichtung im Zyklon selbst findet nicht statt. Dies ist für die abzutrennenden Aerosole auch nicht erforderlich, da diese übli­ cherweise einen relativ großen Durchmesser mit hohem Gewicht aufweisen, so daß schon geringe Umfangsgeschwindigkeiten ausreichende Fliehkräfte zum Abtrennen der Aerosole von dem Gas erzeugen. Auch ist ein Durchsatz des Gases einfach auf die Geometrie des Zyklons abstimmbar. Dies ist jedoch beispielsweise bei einer Brennkraft­ maschine nicht möglich, wo eine Umdrehungszahl der Brennkraftmaschine einen Gas­ durchsatz bestimmt, welcher je nach Betriebszustand entsprechend variabel ist. Daher ist diese Vorrichtung nicht für einen Einsatz im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine geeig­ net.

Aus der DE 35 23 985 A1 ist ferner ein Staubabscheider mit einem Zyklon bekannt, wobei in einem unterhalb des Zyklons ausgebildeten zweiten zylindrischen Abschnitt des Staub­ abscheiders, in dem sich Staub niederschlägt, eine rotierende Trommel vorgesehen ist. Diese dient zum ständigen Abstreifen von abgeschiedenem Staub, so daß dieser mit der Schwerkraft in einen Sammelbehälter herabfällt. Eine Umfangsgeschwindigkeit eines staubbeladenen Abgases im Zyklon selbst wird jedoch von der Trommel nicht beeinflußt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei die obengenannten Nachteile überwunden werden und auch bei hohen Fluiddurchsätzen eine gute Abschei­ dung von kleinsten Partikeln erzielt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der o. g. Art mit den in An­ spruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 10 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er­ findung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Dazu ist es bei einer Vorrichtung der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß im Flieh­ kraftabscheider integral eine zusätzliche Fluidbeschleunigungseinrichtung vorgesehen ist, welche eine Geschwindigkeit des Fluids in Umfangsrichtung im Fliehkraftabscheider er­ höht.

Dies hat den Vorteil, daß auch für hohe Fluiddurchsätze durch eine entsprechend erhöhte Umfangsgeschwindigkeit im Fliehkraftabscheider eine gute Partikelabscheidung erzielt wird. Ferner erzielt man mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Partikelabschei­ dung von Partikeln mit einer Größe herab bis zu 50 bis 100 nm, insbesondere 70 nm, wofür bisher zusätzliche mechanische Filter erforderlich waren. Beispielsweise der Ruß aus den Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine muß bei Einsatz einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung nun nicht mehr auf einem Filter entsorgt werden.

Eine besonders wirksame Beschleunigung des Fluids im Fliehkraftabscheider in Um­ fangsrichtung erzielt man dadurch, daß die Fluidbeschleunigungseinrichtung ein angetrie­ benes Turbinenrad oder ein Schaufelrad ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Tauchrohr zum Abführen von gereinigtem Fluid aus dem Fliehkraftabscheider stromab der Fluidbeschleunigungseinrich­ tung, wie beispielsweise einem Turbinenrad oder Schaufelrad, vorgesehen und taucht zentriert bezüglich der Fluidbeschleunigungseinrichtung in den Fliehkraftabscheider ein, wobei insbesondere das Tauchrohr axialsymmetrisch bzgl. einer Drehachse des Turbi­ nenrades oder Schaufelrades angeordnet ist und durch das Turbinenrad oder Schaufel­ rad hindurchgreift.

Eine gute Partikelabscheidung erzielt man dadurch, daß der Fliehkraftabscheider ein Zy­ klon ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Fluidstrom ein Abgasstrom einer Brenn­ kraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Abgasturbola­ der.

Eine besonders hohe Umdrehungszahl von beispielsweise 150.000 bis 200.000 U/min der Fluidbeschleunigungseinrichtung mit entsprechend hoher Beschleunigung des Fluids in Umfangsrichtung mit entsprechend guter Partikelabscheidung von Partikeln bis herab zu Größen von 50 bis 100 nm, insbesondere 70 nm, erzielt man dadurch, daß die Fluidbe­ schleunigungseinrichtung derart mit dem Abgasturbolader, insbesondere mit einem Ab­ gasturbinenrad, verbunden ist, daß die Fluidbeschleunigungseinrichtung vom Abgasturbo­ lader, insbesondere vom Abgasturbinenrad, angetrieben ist. Hierbei ist in einer bevorzug­ ten Ausführungsform die Fluidbeschleunigungseinrichtung direkt das Abgasturbinenrad einer im Fluidstrom stromauf des Fliehkraftabscheiders angeordneten Abgasturbine.

Bei einem Verfahren der o. g. Art ist es erfindungsgemäße vorgesehen, daß im Fliehkraft­ abscheider der Fluidstrom in Umfangsrichtung beschleunigt wird.

Dies hat den Vorteil, daß auch für hohe Fluiddurchsätze durch eine entsprechend erhöhte Umfangsgeschwindigkeit im Fliehkraftabscheider eine gute Partikelabscheidung erzielt wird. Dies ergibt in vorteilhafter Weise eine bessere Trennwirkung bei gleichzeitig kleiner Trennkorngröße. Ferner erzielt man mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Parti­ kelabscheidung von Partikeln mit einer Größe herab zu 50 bis 100 nm, insbesondere 70 nm, wofür bisher zusätzliche mechanische Filter erforderlich waren. Beispielsweise der Ruß aus den Abgasen einer Dieselbrennkraftmaschine muß bei Einsatz des erfindungs­ gemäßen Verfahrens nun nicht mehr auf einem Filter entsorgt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Fluidstrom ein Abgasstrom einer Brenn­ kraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Abgasturbola­ der.

Eine besonders hohe Umdrehungszahl von beispielsweise 150.000 bis 200.000 U/min der Fluidbeschleunigungseinrichtung mit entsprechend hoher Beschleunigung des Fluids in Umfangsrichtung mit entsprechend guter Partikelabscheidung von Partikeln bis herab zu Größen von 50 bis 100 nm, insbesondere 70 nm, erzielt man dadurch, daß die Fluidbe­ schleunigungseinrichtung von dem Abgasturbolader, insbesondere vom Abgasturbinen­ rad, angetrieben wird.

In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden die abgeschiedenen Partikel einem Sammelbehälter zugeführt und beispielsweise in vorbestimmten Abständen oder kontinuierlich abgebrannt und/oder entsprechend aufbereitet einer Verbrennungsluft einer Brennkraftmaschine zugeführt.

Einen besonders hohen Abscheidegrad bei gleichzeitiger Abscheidung von kleinsten Par­ tikeln, beispielsweise in der Größe bis herab zu 50 bis 100 nm, insbesondere 70 nm, er­ zielt man dadurch, daß die Fluidbeschleunigungseinrichtung mit 150.000 bis 200.000 Umdrehungen pro Minute betrieben wird.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfin­ dung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in

Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 3 eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt einen Fluideinlaß 10, einen Fliehkraftabscheider 12, ein integral in dem Fliehkraftabscheider 12 angeordnetes Schaufelrad 14, ein Tauchrohr 16, welches axialsymmetrisch zum Schaufelrad 14 angeordnet ist und durch dieses hindurchgreift, und einen Staubbunker 18. Der Fliehkraftabscheider 12 hat einen im wesentlichen zylin­ drischen Abschnitt 20, in dem der Fluideinlaß 10 einmündet, und einen daran anschlie­ ßenden sich konisch verengenden Abschnitt 22. Diese Vorrichtung wird im folgenden als "Turbinenzyklon" bezeichnet.

Ein zu reinigendes Fluid, wie beispielsweise ein Abgas einer Brennkraftmaschine, tritt über den Fluideinlaß 10 in Pfeilrichtung 24 in den zylindrischen Abschnitt 20 ein und wird von dem Schaufelrad 14 in Umfangsrichtung bzgl. des zylindrischen Abschnittes 20 be­ schleunigt. Zu diesem Zweck ist das Schaufelrad aktiv von einer nicht dargestellten An­ triebseinrichtung, wie beispielsweise eine Abgasturbine eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, angetrieben. Das Schaufelrad wird beispielsweise mit einer Umdre­ hungszahl von 150.000 bis 200.000 U/min betrieben. Das Fluid strömt spiralenartig am Umfang des zylindrischen Abschnittes 20 und anschließend am Umfang des konischen Abschnittes 22 in Fig. 1 abwärts, wobei durch die hohe, von dem Schaufelrad 14 erzeugte Umfangsgeschwindigkeit des Fluids entsprechend hohe Fliehkräfte wirken, welche Parti­ kel mit einer Größe bis herab zu 50 nm bis 100 nm, insbesondere 70 nm, abscheiden. Diese abgeschiedenen Partikel fallen beispielsweise unter dem Einfluß der Schwerkraft herab und in den Staubbunker 18, wo sie gesammelt werden. Das somit gereinigte Fluid strömt im Fliehkraftabscheider 12 zentral, d. h. beispielsweise im Bereich einer Drehachse des Schaufelrades 14, wieder zurück und wird durch das Tauchrohr 16, welches in diesen mittleren Bereich des Fliehkraftabscheiders 12 eintaucht, abgeleitet.

Aus diesem Staubbunker 18 heraus werden die Partikel, welche bei einer Brennkraftma­ schine bzw. einer Dieselbrennkraftmaschine im wesentlichen Rußteilchen sind, abge­ brannt und die entstehenden Verbrennungsgase beispielsweise direkt oder über nicht dargestellte Nachbehandlungseinrichtungen an eine Umgebung abgegeben. Es ist jedoch auch möglich, sofern es sich um verbrennbare Teilchen handelt, diese abgeschiedenen Partikel aus dem Staubbunker 18 entsprechend aufbereitet beispielsweise einer Verbren­ nungsluft einer Brennkraftmaschine zuzuführen, so daß diese Teilchen dort entsprechend verbrannt werden und eine entsprechend freigesetzte Verbrennungsenergie für den An­ trieb der Brennkraftmaschine nutzbar zu machen.

Fig. 2 veranschaulicht eine Anordnung, bei dem das Turbinenzyklon im Abgastrakt 26 einer Brennkraftmaschine 28 angeordnet ist. Die Brennkraftmaschine 28 saugt über einen Verbrennungslufttrakt 30 Verbrennungsluft an. Diese wird in der Brennkraftmaschine 28 einem thermodynamischen Prozeß unterzogen und über den Abgastrakt 26 wieder abge­ geben. Im Abgastrakt 26 ist eine Abgasturbine 32 angeordnet, welche von den heißen Verbrennungsgasen aus der Brennkraftmaschine 28 angetrieben wird. Über eine Welle 34 treibt die Abgasturbine 32 einen Luftverdichter 36 eines Turboladers 35 im Verbren­ nungslufttrakt 30 an. Dieser verdichtet die Verbrennungsluft und sorgt so durch eine hö­ here Beladung von nicht dargestellten Verbrennungsräumen der Brennkraftmaschine 28 für einen höhere Leistungsabgabe dieser.

Der Abgasturbine 32 ist in Fluidstromrichtung dem Turbinenzyklon vorgeschaltet ange­ ordnet, wobei gleiche Teile des Turbinenzyklons mit gleichen Bezugsziffern, wie in Fig. 1, bezeichnet sind. Zu deren Erläuterung wird daher auf die obigen Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen. Das Schaufelrad 14 ist mit der Welle 34 der Abgasturbine 32 verbunden, so daß diese nicht nur den Luftverdichter 36 sondern auch das Schaufelrad 14 antreibt. Das angetriebene Schaufelrad 14 erhöht eine Geschwindigkeit des in den Fliehkraftabschei­ der 12 eintretenden Abgases in Umfangsrichtung in der zuvor beschriebenen Weise. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, daß die Abgasturbine 32 mit einer Drehzahl von bei­ spielsweise 150.000 bis 200.000 U/min arbeitet. Diese Drehzahl wird unmittelbar auf das Schaufelrad 14 übertragen, so daß dieses mit einer entsprechend hohen Drehzahl eine entsprechend hohe Beschleunigung des Abgases in Umfangsrichtung erzeugt. Dement­ sprechend treten große Fliehkräfte im Fliehkraftabscheider 12 auf, welche für eine hohe Trennwirkung bei gleichzeitig kleiner Trennkorngröße sorgen.

Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 greift hier das Tauchrohr 16 nicht axial­ symmetrisch durch das Schaufelrad 14, sondern ist seitlich in den Fliehkraftabscheider 12 eingeführt und nimmt zentriert im Fliehkraftabscheider 12 etwa im Bereich der Drehachse des Schaufelrades 14 gereinigtes Abgas auf und transportiert dieses in Pfeilrichtung 38 über einen Abgasaustritt 40 ab, während sich abgetrennte Partikel im Staubbunker 18 sammeln.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform, wobei bzgl. der Fig. 1 und 2 gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, so daß zu deren Erläuterung auf die obigen Ausführungen bzgl. der Fig. 1 und 2 verwiesen wird. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist hier der Fliehkraftabscheider 12 in die Abgasturbine 32 integriert aus­ gebildet, so daß ein Abgasturbinenrad direkt das Schaufelrad 14 des Turbinenzyklons ausbildet.

Das Schaufelrad 14 ist in den Fig. 1 bis 3 nur beispielhaft als eine mögliche Fluidbe­ schleunigungseinrichtung 14 dargestellt. Eine mögliche Alternative für die Fluidbeschleu­ nigungseinrichtung 14 ist beispielsweise ein Turbinenrad oder ähnliches.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Abscheiden von Partikeln in einem Fluidstrom mit einem im Fluidstrom angeordneten Fliehkraftabscheider (12), dadurch gekennzeichnet, daß im Fliehkraftabscheider (12) integral eine zusätzliche Fluidbeschleunigungseinrich­ tung (14) vorgesehen ist, welche eine Geschwindigkeit des Fluids in Umfangsrich­ tung im Fliehkraftabscheider (12) erhöht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidbeschleunigungseinrichtung (14) ein angetriebenes Turbinenrad oder ein Schaufelrad ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tauchrohr (16) zum Abführen von gereinigtem Fluid aus dem Fliehkraftabschei­ der (12) stromab der Fluidbeschleunigungseinrichtung (14), wie beispielsweise Turbi­ nenrad oder Schaufelrad, vorgesehen ist und zentriert bezüglich der Fluidbeschleu­ nigungseinrichtung (14), in den Fliehkraftabscheider (12) eintaucht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tauchrohr (16) axialsymmetrisch bzgl. einer Drehachse des Turbinenrades oder Schaufelrades (14) angeordnet ist und durch das Turbinenrad oder Schaufelrad (14) hindurchgreift.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fliehkraftabscheider (12) ein Zyklon ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom ein Abgasstrom einer Brennkraftmaschine (28), insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Abgasturbolader (32, 34, 35, 36) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidbeschleunigungseinrichtung (14) derart mit dem Abgasturbolader (32, 34, 35, 36), insbesondere mit einem Abgasturbinenrad, verbunden ist, daß die Fluidbe­ schleunigungseinrichtung (14) vom Abgasturbolader (32, 36), insbesondere vom Ab­ gasturbinenrad, angetrieben ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidbeschleunigungseinrichtung (14) ein Abgasturbinenrad einer im Fluidstrom stromauf des Fliehkraftabscheiders (12) angeordneten Abgasturbine (32) ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Fliehkraftabscheider (12) ein Staubbunker (18) zur Aufnahme von abgeschiede­ nen Partikeln angeordnet ist.

10. Verfahren zum Abscheiden von Partikeln in einem Fluidstrom mit einem im Fluidstrom angeordneten Fliehkraftabscheider, dadurch gekennzeichnet, daß im Fliehkraftabscheider der Fluidstrom in Umfangsrichtung beschleunigt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom ein Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Die­ selbrennkraftmaschine, mit einem Abgasturbolader ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidbeschleunigungseinrichtung von dem Abgasturbolader, insbesondere von einem Abgasturbinenrad, angetrieben wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschiedenen Partikel einem Sammelbehälter zugeführt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel im Sammelbehälter in vorbestimmten Abständen oder kontinuierlich ab­ gebrannt und/oder entsprechend aufbereitet einer Verbrennungsluft einer Brenn­ kraftmaschine zugeführt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidbeschleunigungseinrichtung mit 150.000 bis 200.000 Umdrehungen pro Mi­ nute betrieben wird.