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Die Erfindung betrifft eine Russ-und Feinstaubzentrifuge, wie sie bezüglich der technischen Funktion in der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2017 002 096 U1 geoffenbart ist. Dort ist der Fluss des Abgases in den Zentrifugenteil im Wesentlichen senkrecht nach unten vorgesehen, läuft dann wieder senkrecht nach oben und verlässt dann die Zentrifuge wieder wie im Zufluss wagrecht.
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In der Praxis liegen meistens die Organe der Abgasnachbehandlung koaxial in einer Linie, damit das System am Motor entlang in einer Warmzone angeordnet werden kann. Diese konstruktive Anordnung hat auch den Vorteil günstiger Herstellungkosten, weil die mechanische Befestigung der einzelnen Organe aneinander sehr einfach ist. Die Möglichkeit dieser koxialen Anordnung ist bei der Ausführung gemäß der Gebrauchsmusterschrift nicht gegeben.
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Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, den Eingansstutzen, die Drehachse der Zentrifugentrommel, die Mittelachse des Trennsiebes und die Mittelachse des Ausgangsgehäuses koaxial in einer Linie anzuordnen.
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Hierbei besteht nicht mehr die Möglichkeit, wie in der Gebrauchsmusterschrift, das System in einen Heissteil und einen Kaltteil zu trennen. Damit die Lagerung der Zentrifugentrommel dennoch nicht der hohen Temperatur des Abgases ausgesetzt ist, müssen hier neue Wege beschritten werden.
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Die Erfindung schlägt deshalb ferner vor, die Lager als bevorzugte verlustarme Wälzlager in einem zum Gesamtsysten koaxialen Lagergehäuse anzuordnen, das mit einer grossen Zahl von Kühlrippen versehen ist. Damit die Kühlrippen eine ausreichende Erniedrigung der Lagertemperatur bewirken können, müssen sie von einem möglicht kalten Gasstrom durchflossen werden. Erfindungsgemäß wird dazu eine Zapfluft aus dem Bereich der gekühlten Ladeluft des Motors verwendet.
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Um diese kühlende Zapfluft an die Kühlrippen heranzuführen, wird vorgeschlagen, eine Zuführung zu verwenden, die im Ausgangsteil der Zentrifuge angebracht ist. Somit besteht die Möglichkeit, die gekühlte Zapfluft zentral den Kühlrippen des Lagergehäuses zuzuführen.
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Damit die Zapfluft nicht durch die heissen Wände der gasführenden Gehäuseteile aufgeheizt wird, wird vorgeschlagen, ein Trennrohr in die Zuleitung vorzusehen, das nicht mit den heissen Wänden in Berührung kommt durch einen ausreichende Abstand zu diesen.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Russ-und Feinstaubzentrifuge besteht darin, dass die Zentrifugenteller nicht wie bekannt aus Stahlblech hergestellt sind, sondern z.B. aus Sinterstahl. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Schaufelformen für den Gasdurchfluss zu optimieren. Wie üblich bei solchen Laufrädern, verjüngen sich axial die Schaufelkanäle in radialer Flussrichtung nach aussen entsprechend dem Kontinuitätsprinzip, damit die Gasgeschwindigkeit nach aussen weitgehend konstant bleibt. Der Vorteil gegenüber der Blechausführung ist, dass die radiale Austrittsgeschwindigkeit am Aussendurchmesser der Zentrifugenteller wesentlich grösser ist. Dementsprechend ist die Abscheideintensität besser. Dies gilt sowohl für die Turbinenbeschaufelung als auch für die Verdichterbeschaufelung.
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Ein wichtiger Vorteil der Russ-und Feinstaubzentrifuge ist bisher nicht erwähnt worden: Statt den angestauten Russ im bisherigen CRT-Russfilter zum klimaschädlichen CO2 (Kohlendioxid) zu verbrennen, ist es sinnvoller, den aus dem Stauraum der Russzentrifuge gewonnene Russ als Rohstoff zur Herstellung der Graphit-Anoden für die Lithiumbatterien für die Elektroautos zu verwenden. Die Batterie-Experten erwarten dort ohnehin in der Zukunft auf diesem Gebiet einen Rohstoff-Engpass. („Automotive engineer magazine" Jan-Febr.2016, Seite 33). Hier muss ein Umdenken stattfinden!
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Die neueste Norm WLTP (Worldwide harmonized Light vehicle Test Procedure) für die Prüfstandsläufe löst den bisherigen NEFZ- Test ab. Nach dieser Vorschrift soll unter anderem die Prüfstandstemperatur deutlich gesenkt werden. Da die Entzündungstemperatur für die Russverbrennung nach wir vor 550 Grad beträgt, muss dabei die Kraftstoffzufuhr entsprechend erhöht werden. Somit steigt zusätzlich der Kraftstoffverbrauch. Es ist daher höchste Zeit, dass der CRT-Russfilter durch eine andere Hardware ersetzt wird.
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Der Zentrifugenteil kann in der Werkstatt durch Lösen der Schlauchschellen radial aus der Abgasanlage herausgenommen werden, sodass der Stauraumbehälter ausgewechselt werden kann.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert:
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1 zeigt einen Längsschnitt durch die zentrale Mittellinie der Zentrifuge. Mit 1 ist der Eintrittsstutzen mit seiner Wand 2 bezeichnet, die lösbar mit der rohrförmigen Aussenwand 3 verbunden ist. Diese Aussenwand 3 ist als Blechtopf hergestellt, der wiederum eine Gehäsewand 4 enthält. Diese besitzt Durchbrüche 5, durch die das gereinigte Abgas nach dem Zentrifugieren in die nächste Komponente 6 der Abgasnachbehandlungseinrichtung gelangt.
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Das Tellerpaket 7 besteht abwechslungsweise aus Turbinenrädern 8 und den Verdichterrädern 9, die alle auf der Zentrifugenwelle 10 axial und radial befestigt sind. Die sehr biegesteif gestaltete Zentrifugenwelle 10 ist durch die Wälzlager 11 und 12 im Lagergehäuse 13 drehbar gelagert. Dieses Lagergehäuse 13 besitzt an seinem Aussendurchmesser viele radial- und axial verlaufende Kühlrippen 14. Das ganze drehbare Zentrifugensystem ist in einem rohrförmigen Teil 16 eingesetzt, das mit der Topfwand 4 zentrisch verschweisst ist.
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Zur Kühlung der Wellenlagerung ist im Reingasraum 17 eine Luftzufuhr 18 vorgesehen, bestehend aus dem Zapfluftanschluss 19 und der Rohrverbindung 20. Dabei ist die Rohrverbindung 20 beabstandet von der gehäuseeigenen Luftzufuhr 18 gestaltet, um eine Aufheizung der Kühlluft durch das heisse Gehäuse zu vermeiden.
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Das rotierende Zentrifugensystem ist radial in einem Abstand 21 in bekannter Weise von einem Trennsieb 22 umgeben, das Bestandteil des auswechselbaren Stauraumbehälters 23 ist. Das Trennsieb enthält siebartige radiale Löcher 30 und teilweise Fangfahnen 15.
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Der Anschluss 32 ermöglicht eine Abgasrückführung mit Reingas. Da zusammen mit dem Russ auch die für den Motor gefährlichen abrasiven Partikel des Feinstaubs abgeschieden werden, kann ohne Bedenken die Abgasrückführungsrate erhöht werden. Diese hat bekanntlich den Vorteil, dass die Verbrennungstemperatur erniedrigt wird und weniger Stickstoff aus der Aussenluft angesaugt wird. Beises führt zu weniger Stickoxiderzeugung bei der Verbrennung.
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Mit dem Einbau der erfindungsgemässen Russ-und Feinstaubzentrifuge entfällt der CRT-Russ- und Feinstaubfilter, bei dem der Russ zu CO2 verbrannt wird, was ansich unerwünscht ist. Ferner ist vermieden, dass wie bekannt die Gefahr entsteht, dass das AGR-Regelventil und der AGR-Kühler versotten.
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2 zeigt einen Teilschnitt A durch die Luftzufuhr 18 und eine Teilansicht auf das Trennsieb mit den Fangfahnen 15.
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3 ist ein Querschnitt B im Bereich der Kühlrippen 14 des Lagergehäuses 13 und eine Ansicht auf die Durchbrüche 5 in der Gehäusewand 4 und die Fangfahnen 15 des Trennsiebs 22.
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4 stellt eine Ansicht dar auf die Beschaufelung 26 des Turbinenrades 8 mit einer 5 als Querschnit C durch die Turbinenschaufel.
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6 zeigt eine Ansicht der Beschaufelung 27 des Verdichterrades 9 mit einer 7 als Querschnitt D durch die Verdichterschaufel.
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Die Arbeitsweise der Russ-und Feinstaubzentrifuge ist folgende:
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Das Rohabgas gelangt in den Zentralbereich 24 des Tellerradsatzes 8,9 und wird durch die Schaufelkanäle 25 und 25.1 radial nach aussen geschleudert mit einer Gasgeschwindigkeit, die sich ergibt aus dem Quotienten des Gesamtgasstromflusses geteilt durch den gesamten Kanalquerschnitt der Schaufelkanäle 25 und 25.1. Die Verjüngung der Schaufelkanäle in radialer Richtung sorgt in bekannter Weise bei solchen Radialrotoren für eine weitgehend konstante Gasgeschwindigkeit durch den Schaufelkanal. Gemäß den Geschwindigkeitsdreiecken am Aussenradius der Rotoren ergibt sich ein Austrittsgeschwindigkeitsvektor des mit Russ- und Feinstaubpartikeln kontaminierten Rohgases gemäss dem Austrittswinkel der Beschaufelung. Beim Turbinenrad ist der Austrittswinkel scharf nach hinten gerichtet, sodass ein starkes Impulsdrehmoment entsteht, das den Rotor intensiv in Drehzahl versetzt. Da das Reibmoment der Wälzlagerung sehr klein ist, steht zum Antrieb des damit verbundenen Gebläserades ein etwa gleichgrosses Antriebsmoment zur Verfügung. Die Drehzahl des Rotors richtet sich somit nach der Umfangskomponente des Turbinenrades an seinem Aussendurchmesser. Nach den Gesetzen der Kreiselmaschinen kann somit diese Drehzahl berechnet werden.
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Die Russ- und Feinstaubpartikel unterliegen somit einer grossen Fliehkraft, die ein Vielfaches ist als deren Eigengewicht. Deshalb spielt es keine Rolle, ob die Zentrifuge mit senkrechter oder wagrechter Drehachse arbeitet.
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Das spez. Gewicht des Reingases ist wesentlich kleiner als das spezifische Gewicht der Russ-und Feinstaubpartikel (Russ hat ein Spez. Gewicht von etwa 1200 [kg/cbm], das Gas nur ein spez. Gewicht von max. ca. 0,4 [kg/cbm] je nach Temperatur). Eine Strömungdynamische Berechnung hat ergeben, dass selbst kleine Partikel von einem Durchmesser von 10 [nm] nicht vom Gasstrom mitgerissen werden können. Die Partikel landen somit zuverlässig im Stauraum 23 der Zentrifuge.
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Zusammenfassung
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Eine koaxiale Russ- und Feinstaubzentrifuge besitzt einen Eintrittsstutzen (1) für das Rohgas und einen Reingasraum (17), eine Wand (2) und eine Aussenwand (3) als Bestandteil eines Blechtopfes mit der Gehäusewand (4), ein Tellerpaket mit Turbinenrädern (8) und Verdichterrädern (9), eine Zentrifugenwelle (10) mit Lagern (11) und (12), ein Lagergehäuse (13), ein rohrförmiges Teil (16), einen Stauraumbehälter (23) mit einem Trennsieb (22), dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Tellerpaket (8,9) konzentrisch und koaxial im Blechtopf mit den Gehäusewänden (2,3und 4) angordnet ist und dass ein Lagergehäuse (13) mit Kühlrippen (14) ebenso konzentrisch und koaxial vorgesehen ist mit den Wälzlagern (11 und12).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202017002096 U1 [0001]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- („Automotive engineer magazine“ Jan-Febr.2016, Seite 33) [0009]
