DE69823145T2 - Selbstwaschbare Vorrichtung zur Trennung und Filtrierung von Feststoffpartikeln in einer Flüssigkeitsströmung und Verwendung in einem Kraftstoffeinspritzsystem mit einer solchen Vorrichtung - Google Patents

Selbstwaschbare Vorrichtung zur Trennung und Filtrierung von Feststoffpartikeln in einer Flüssigkeitsströmung und Verwendung in einem Kraftstoffeinspritzsystem mit einer solchen Vorrichtung Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung betrifft eine selbstreinigende Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung von festen Partikeln in einer Flüssigkeitsmenge sowie eine Anwendung dieser Vorrichtung in einem Kraftstoffeinspritzsystem.
  • In zahlreichen Vorrichtungen, die Flüssigkeiten unter hohem Druck enthalten, muss die Flüssigkeit einwandfrei gefiltert werden, um einen durch Verschmutzungen verursachten Verschleiß zu verhindern. Üblicherweise wird diese Bedingung mit Hilfe eines Filtereinsatzes erfüllt, der ausgewechselt werden kann, wenn er verstopft ist. Es ist auch üblich, ein Umleitventil einzubauen, das es ermöglicht, die Flüssigkeit unter Umgehung eines verstopften Filtereinsatzes zirkulieren zu lassen. Der Zustand des Filters muss regelmäßig kontrolliert werden, um eine rasche Beschädigung der kostenaufwändigen Geräte, die der Filter schützen soll, zu vermeiden.
  • In dem Sonderfall eines Kraftstoffversorgungs- und -dosiersystems eines Turbotriebwerks, das im Allgemeinen eine Zahnradpumpe, beispielsweise eine Zumesspumpe, eine Mengendosiereinrichtung sowie Kraftstoffeinspritzdüsen enthält, muss dieses System vor Verunreinigung von außen seitens der Kraftstofftanks geschützt werden und müssen die Dosiereinrichtung und die Kraftstoffeinspritzdüsen vor Verunreinigung auf Grund von Verschleißpartikeln, die die Pumpe erzeugt, bzw. auf Grund einer Beschädigung der Pumpe geschützt werden. Dieser doppelte Schutz kann jedoch nicht durch Verwendung eines einzigen Filters erreicht werden. Ferner bringt die Verwendung von zwei Filtern, die vor bzw. hinter der Pumpe eingesetzt werden, Schwierigkeiten beim Einbau sowie eine Erhöhung des Gewichts des Triebwerks, zusätzliche Wartungsarbeiten und ein funktionelles Problem auf Grund der starken Drücke hinter der Pumpe mit sich. Außerdem bewirken diese Systeme nicht unbeträchtliche Druckverluste, die in Abhängigkeit von dem Verstopfungsgrad des Filters steigen.
  • Um die Probleme der Wartung des hinter der Pumpe angeordneten Filters zu beseitigen, kann ein selbstreinigender Filter verwendet werden. Die bekannten selbstreinigenden Filter enthalten im Allgemeinen einen Filtereinsatz, der mit einer zentralen Leitung versehen ist, durch die der Hauptstrom der Kraftstoffmenge fließt. Zur Versorgung der Kraftstoffdosier- und -einspritzvorrichtungen wird aus der zentralen Leitung des Filters ein Teil des Kraftstoffs entnommen und wird dann durch den Filtereinsatz gefiltert. Der Mangel dieser bekannten selbstreinigenden Filter besteht darin, dass sie, um eine wirksame Reinigung zu erreichen, nur eine geringe Menge Kraftstoff im Verhältnis zu der in den Filter eindringenden Menge Kraftstoff filtern können. Die Menge des gefilterten Kraftstoffs beträgt im Allgemeinen weniger als 10% der Gesamtmenge des in den Filter eindringenden Kraftstoffs. Die Abmessung der Oberfläche des Filtereinsatzes des Filters ist daher um so größer, je größer die Menge des zu filternden Kraftstoffs ist. Die selbstreinigenden Filter haben also im Allgemeinen ein hohes Gewicht und großen Platzbedarf.
  • Es existieren auch selbstreinigende Zentrifugal-Filter wie z. B. die insbesondere in den Patentschriften US 3 807 568 und US 3 718 258 beschriebenen. Diese Filter weisen jedoch im Allgemeinen Bereiche auf, in denen sich Schmutzpartikel sammeln, was Druckverluste der Flüssigkeitsströmung zwischen dem Einlass und dem Ausgang des Filters bewirkt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine selbstreinigende Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung von festen Partikeln in einer Flüssigkeitsmenge auszuführen, die einen geringen Platzbedarf und ein geringes Gewicht hat und es ermöglicht, das Verhältnis zwischen der Menge der gefilterten Flüssigkeit und der Menge der Flüssigkeit, die in den Filter eindringt, zu erhöhen, und dabei eine wirksame Reinigung des Filterstoffs gewährleistet.
  • Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung eine selbstreinigende Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung, bei der die dichteren festen Partikel durch Zentrifugalwirkung abgeschieden werden, um den Filterstoff vor einer zu starken Verschmutzung zu bewahren. Die abgeschiedenen festen Partikel werden direkt zum Ausgang des Filters geführt, und die Flüssigkeitsmenge, die den Filterstoff durchdringt, enthält nur noch restliche feste Partikel von geringer Dichte, die in einem geringen Anteil an der Oberfläche des Filterstoffs hängen bleiben, indem der größte Teil der Partikel durch die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit parallel zur Oberfläche des Stoffs mitgetragen wird.
  • Gemäß dieser Erfindung ist die selbstreinigende Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung von festen Partikeln in einer Flüssigkeitsmenge durch die Merkmale von Anspruch 1 bestimmt.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Anwendung der selbstreinigenden Vorrichtung in einem Kraftstoffeinspritzsystem, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der tangentiale Einlass für Flüssigkeit hinter einer Hochdruckpumpe angeschlossen ist, der tangentiale Ausgang von Flüssigkeit vor einem Hauptstromfilter über ein Umleitventil angeschlossen ist, der Längsausgang für gefilterte Flüssigkeit an eine Kraftstoff Dosiereinrichtung angeschlossen ist.
  • Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung näher hervor, die als nicht einschränkendes Beispiel anhand der beigefügten Figuren gegeben wird, wobei
  • 1 in einer schematischen Perspektivansicht ein erstes Beispiel der selbstreinigenden Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung von Partikeln in einer Flüssigkeitsmenge zeigt,
  • 2 in einer schematischen Perspektivansicht ein zweites Beispiel einer selbstreinigenden Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung von Partikeln zeigt,
  • 3 in einer schematischen Querschnittansicht ein drittes Beispiel einer selbstreinigenden Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung von Partikeln gemäß dieser Erfindung zeigt,
  • 4 in einer schematischen Längsschnittansicht das dritte Beispiel einer selbstreinigenden Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung von Partikeln zeigt,
  • 5 ein Schema eines Anwendungsbeispiels der selbstreinigenden Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung von Partikeln in einem Kraftstoffeinspritzsystem zeigt.
  • Die selbstreinigende Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung von festen Partikeln in einer Flüssigkeitsmenge besteht aus einem rohrförmigen Gehäuse 10 mit einer außen umlaufenden Wand, einer oberen Wand, einer unteren Wand, einer Innenkammer 11, die von diesen Wänden des Gehäuses umgrenzt wird, einem tangentialen Einlass 12 für Flüssigkeit, der im Bereich der oberen Wand des Gehäuses 10 in die Innenkammer 11 mündet, und einem tangentialen Ausgang 13 für Flüssigkeit, der im Bereich der unteren Wand des Gehäuses 10 ausgeführt ist. Ein röhrenförmiger Filterstoff 14 ist in der Innenkammer 11 längs zwischen der oberen und der unteren Wand angebracht. Der Filterstoff 14 enthält eine zentrale Längsleitung 15, die in mindestens einen Längsausgang 16 für gefilterte Flüssigkeit mündet, wobei der Längsausgang 16 in der oberen und/oder der unteren Wand des Gehäuses 10 ausgeführt ist.
  • Durch die tangentiale Konfiguration des Flüssigkeitseinlasses 12 kann in der Innenkammer 11 ein Wirbel erzeugt werden, um die schwersten festen Partikel durch Zentrifugalwirkung abzuscheiden und dem tangentialen Ausgang 13 für Flüssigkeit zuzuführen. Die Flüssigkeitsmenge, die den Filterstoff durchdringt, enthält nur noch restliche Partikel von geringer Dichte, so dass der Filterstoff vor einer zu starken Verschmutzung bewahrt werden kann und die Menge der gefilterten Flüssigkeit im Verhältnis zu der eintretenden Flüssigkeitsmenge erhöht werden kann, ohne den Platzbedarf der selbstreinigenden Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung zu erhöhen.
  • Vorzugsweise weist die Innenfläche des Gehäuses im Bereich des tangentialen Flüssigkeitseinlasses 12 eine Spiralform auf, um einen Schneckenbogen 31 zu bilden. Durch diese Form können die radialen Strömungsgeschwindigkeiten VR und tangentialen Strömungsgeschwindigkeiten VT der um den Filterstoff 14 herum strömenden Flüssigkeitsmenge konstant gehalten werden, wodurch eine gleichförmige Verteilung der gefilterten Flüssigkeitsmenge auf die gesamte Seitenfläche des Filterstoffs und eine gleichförmige Verteilung der tangentialen Reinigungsgeschwindigkeit VT gewährleistet werden kann, um die Bildung von Bereichen, in denen sich Verschmutzungen sammeln, zu vermeiden.
  • Im Bereich des tangentialen Ausgangs 13 für Flüssigkeit ist die Innenfläche des Gehäuses ebenfalls spiralförmig, um einen Schneckenbogen 32 zu bilden, der entgegengesetzt zu dem Einlass-Schneckenbogen geformt ist, um das Abführen der festen Partikel zu dem tangentialen Ausgang 13 zu unterstützen.
  • Vorteilhafterweise kann der Einlass 12 eine Öffnung mit geringer Breite sein, die sich über die gesamte Länge des Gehäuses 10 erstreckt, damit der Wirbel in der ganzen Kammer 11 eine homogene Drehgeschwindigkeit hat.
  • Vorteilhafterweise wachsen zwischen dem Einlass-Schneckenbogen und dem Ausgang-Schneckenbogen, wie in 4 dargestellt, die Innenquerschnitte des Gehäuses 10 an und die des Filterstoffs 14 werden kleiner, um die Druckverluste der Flüssigkeitsströmung zwischen dem tangentialen Einlass und dem tangentialen Ausgang der Flüssigkeit auf ein Minimum zu reduzieren.
  • In einer Anwendung in einem Kraftstoffversorgungssystem mit einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, für die die Kraftstoffmenge grob gefiltert werden kann, beispielsweise auf 300 μm, und mit Regeleinrichtungen, für die die Kraftstoffmenge fein gefiltert werden muss, beispielsweise auf 70 bis 100 μm, wird der Filterstoff, wie in 2 dargestellt, vorteilhafterweise von einer Kombination von zwei Filterbereichen 21, 22 mit unterschiedlichen Rückhaltevermögen gebildet. Die beiden Filterbereiche sind in der gleichen Innenkammer 11 des Gehäuses 10 angeordnet und durch eine dichte Trennwand 23 voneinander getrennt. Der erste Filterbereich 21 mit grobem Rückhaltevermögen enthält eine zentrale Längsleitung, die in einen ersten Längsausgang 16 für gefilterte Flüssigkeit mündet, welcher in der oberen Wand des Gehäuses 10 ausgeführt und dazu bestimmt ist, mit der Einspritzvorrichtung für gefilterten Kraftstoff verbunden zu werden. Der zweite Filterbereich 22 mit feinerem Rückhaltevermögen enthält eine zentrale Längsleitung, die in einen zweiten Längsausgang 17 für gefilterte Flüssigkeit mündet, welcher in der unteren Wand des Gehäuses 10 ausgeführt und dazu bestimmt ist, mit den Regeleinrichtungen verbunden zu werden.
  • In Betrieb gelangt eine Flüssigkeitsmenge, die feste, abzuscheidende und zu filternde Partikel enthält, unter hohem Druck mit einer tangentialen Geschwindigkeit VT gegenüber dem Filterstoff 14 durch den tangentialen Flüssigkeitseinlass 12 in die Innenkammer 11 des Gehäuses 10. Die Flüssigkeitsmenge wird in einer schraubenförmigen Bewegung, die einen Wirbel bildet, zwischen dem Filterstoff 14 und der außen umlaufenden Wand des Gehäuses 10 in die Innenkammer 11 geführt. Unter Einwirkung der Zentrifugalkräfte werden die dichteren festen Partikel in der Flüssigkeitsmenge entlang der außen umlaufenden Wand des Gehäuses 10 und dann zur unteren Wand des Gehäuses 10 hin aus dem Wirbel heraus getrieben. Diese dichten, festen Partikel werden zum größten Teil direkt zum tangentialen Flüssigkeitsausgang 13 abgeführt. Die von den dichteren festen Partikeln befreite Flüssigkeitsmenge, die nur noch feine, feste Restpartikel enthält, wird mit einer hohen tangentialen Geschwindigkeit gegenüber der Oberfläche des Filterstoffs in die Mitte des Wirbels getrieben.
  • Ein in der Mitte des Wirbels befindlicher erster Teil der Flüssigkeitsmenge dringt durch die Maschen des Filterstoffs 14, an dessen Oberfläche die festen Restpartikel hängen bleiben. Die gefilterte Flüssigkeitsmenge mündet in die zentrale Längsleitung des Filterstoffs und wird dann zum Längsausgang für gefilterte Flüssigkeit geführt. Der zweite Teil der Flüssigkeitsmenge wird mit einer hohen tangentialen Geschwindigkeit gegenüber der Oberfläche des Filterstoffs 14 zum tangentialen Flüssigkeitsausgang 13 geleitet Beim Durchströmen löst dieser zweite Teil der Flüssigkeitsmenge die an der Oberfläche des Filterstoffs hängen gebliebenen feinen Partikel und nimmt sie zu dem tangentialen Flüssigkeitsausgang 13 mit sich, so dass der Filterstoff während der Gesamtdauer des Betriebs der Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung gereinigt wird. Dieser zweite Teil der ungefilterten Flüssigkeitsmenge nimmt ebenfalls fortschreitend die aus dem Wirbel heraus getriebenen dichteren festen Partikel zu dem tangentialen Flüssigkeitsausgang 13 mit sich.
  • Das Abscheiden der Schmutzpartikel mittels Zentrifugieren ermöglicht es, diese Schmutzpartikel aus dem Filterstoff zu entfernen und die Menge der durch den Filterstoff hindurch entnommenen Flüssigkeit im Verhältnis zu der Flüssigkeitsmenge zum Reinigen des Filterstoffs unter Beibehaltung eines wirkungsvollen Reinigungseffekts zu erhöhen. Die Verstärkung des Reinigungseffekts durch den Abscheidungseffekt ermöglicht es, das Mengenverhältnis der gefilterten Flüssigkeit bis zu 50% der eindringenden Menge zu erhöhen, ohne die Abmessungen der Oberfläche des Filterstoffs zu erhöhen. Die Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung bietet einen Vorteil hinsichtlich des Gewichts und des Platzbedarfs und ermöglicht es mit größerer Sicherheit, eine Überwachung oder einen Wartungseingriff überflüssig zu machen.
  • In 5 ist schematisch ein Anwendungsbeispiel der Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung in einem Kraftstoffeinspritzsystem dargestellt.
  • Das Kraftstoffeinspritzsystem enthält eine Niederdruckpumpe 41, die Kraftstoff von einer in einem Kraftstofftank befindlichen, nicht dargestellten Kraftstoffzusatzpumpe erhält. Diese Kraftstoffmenge wird einer Hochdruckpumpe 42 durch einen davor befindlichen Hauptstromfilter 43 hindurch zugeführt.
  • Nach der Hochdruckpumpe strömt die Kraftstoffmenge Q1 durch eine selbstreinigende Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung 44 gemäß dieser Erfindung. Die Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung 44 weist einen Einlass und einen tangentialen Ausgang für den Kraftstoff sowie einen Filterstoff mit einer zentralen Längsleitung, die in einen Längsausgang für gefilterte Flüssigkeit mündet, auf. Der Längsausgang ist mit einer Kraftstoffdosiereinrichtung 45 verbunden, von deren Ausgang die dosierte Kraftstoffmenge den Kraftstoffeinspritzdüsen 46 zugeführt wird. Im Bereich der Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung 44 erfolgt eine Entnahme einer Kraftstoffmenge Q2 durch den Filterstoff hindurch, um die Kraftstoffdosiereinrichtung zu speisen. Die nicht entnommene Kraftstoffmenge Q3 wird zu dem tangentialen Kraftstoffausgang abgeführt, wobei alle durch Zentrifugaleffekt abgeschiedenen festen Partikel und alle an der Oberfläche des Filterstoffs hängen gebliebenen Partikel mitgenommen werden. Die Kraftstoffmenge Q3 wird dann durch ein Umleitventil 47 zurück vor den Hauptstromfilter 43 geleitet. Das Öffnen des Umleitventils 47 wird durch einen Druckdifferenzmelder 48 gesteuert, der parallel zu der Dosiereinrichtung 45 geschaltet ist. Die von dem Druckdifferenzmelder 48 abgegebenen Steuerungsdaten werden dahingehend bearbeitet, dass die Druckdifferenz PAV-PAM an den Anschlüssen der Dosiereinrichtung 45 konstant gehalten wird.
  • Die Regeleinrichtungen sind in dem Kraftstoffeinspritzsystem in 5 nicht dargestellt, und die selbstreinigende Vorrichtung hat einen Aufbau, der dem in 1 dargestellten entspricht.
  • Für eine Anwendung in einem Kraftstoffeinspritzsystem mit Regeleinrichtungen muss die selbstreinigende Vorrichtung einen Aufbau haben, der dem in 2 dargestellten entspricht.

Claims (7)

  1. Selbstreinigende Vorrichtung zur Abscheidung und Filterung von festen Partikeln in einer Flüssigkeitsmenge, die aufweist: – ein rohrförmiges Gehäuse (10) mit einer außen umlaufenden Wand, einer oberen Wand, einer unteren Wand, – eine Innenkammer (11), die von diesen Wänden des Gehäuses (10) umgrenzt wird, – einen tangentialen Einlass (12) für Flüssigkeit, der im Bereich der oberen Wand des Gehäuses (10) in die Innenkammer (11) mündet, wobei durch die tangentiale Konfiguration des Einlasses in der Innenkammer (11) ein Wirbel erzeugt werden kann, um die festen Partikel durch Zentrifugalwirkung abzuscheiden und an den Außenumfang des Wirbel zu treiben, – einen tangentialen Ausgang (13) für Flüssigkeit, der im Bereich der unteren Wand des Gehäuses (10) ausgeführt ist, um die festen Partikel abzuführen, – einen röhrenförmigen Filterstoff (14), der in der Innenkammer (11) längs zwischen der oberen und der unteren Wand des Gehäuses angebracht ist, um einen Teil der in der Mitte des Wirbels befindlichen Flüssigkeit zu entnehmen und zu filtern, wobei der Filterstoff (14) eine zentrale Längsleitung (15) enthält, die in mindestens einen Längsausgang (16) für gefilterte Flüssigkeit mündet, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) im Bereich des tangentialen Flüssigkeitseinlasses (12) eine spiralförmige Innenfläche aufweist, um einen Einlass-Schneckenbogen (31) zu bilden.
  2. Selbstreinigende Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) im Bereich des tangentialen Flüssigkeitsausgangs (13) eine spiralförmige Innenfläche aufweist, um einen Ausgangs-Schneckenbogen (32) zu bilden.
  3. Selbstreinigende Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) zwischen dem Einlass- und dem Ausgang-Schneckenbogen (31, 32) einen anwachsenden Innenquerschnitt aufweist und der Filterstoff (14) einen kleiner werdenden Innenquerschnitt aufweist.
  4. Selbstreinigende Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterstoff (14) von einem ersten und einem zweiten Filterbereich (21, 22) mit unterschiedlichen Rückhaltevermögen gebildet wird, wobei der erste Filterbereich (21) eine erste zentrale Längsleitung enthält, die in einen ersten Längsausgang (16) für gefilterte Flüssigkeit mündet, welcher in der oberen Wand des Gehäuses (10) ausgeführt ist, wobei der zweite Filterbereich (22) eine zweite zentrale Längsleitung enthält, die in einen zweiten Längsausgang (17) für gefilterte Flüssigkeit mündet, welcher in der unteren Wand des Gehäuses (10) ausgeführt ist.
  5. Selbstreinigende Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Filterbereich (21, 22) durch eine dichte Trennwand (23) voneinander getrennt sind.
  6. Anwendung der selbstreinigenden Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einem Kraftstoffeinspritzsystem, dadurch gekennzeichnet, dass der tangentiale Einlass (12) für Flüssigkeit hinter einer Hochdruckpumpe angeschlossen ist, der tangentiale Ausgang (13) für Flüssigkeit vor einem Hauptstromfilter (43) über ein Umleitventil (47) angeschlossen ist, der Längsausgang für gefilterte Flüssigkeit an eine Kraftstoff Dosiereinrichtung (45) angeschlossen ist.
  7. Anwendung der selbstreinigenden Vorrichtung nach Anspruch 5 in einem Kraftstoffeinspritzsystem, dadurch gekennzeichnet, dass der tangentiale Einlass (12) für Flüssigkeit hinter einer Hochdruckpumpe angeschlossen ist, der tangentiale Ausgang (13) für Flüssigkeit vor einem Hauptstromfilter (43) über ein Umleitventil (47) angeschlossen ist, der erste Längsausgang (16) für gefilterte Flüssigkeit an eine Kraftstoff Dosiereinrichtung (45) angeschlossen ist, der zweite Längsausgang (17) für gefilterte Flüssigkeit an Regeleinrichtungen angeschlossen ist.
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