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Vergleich der Trenngrade eines Wäschers und eines Standard Impaktor-Vlies-Abscheiders, gemessen an einem 4-Zylinder Dieselmotor.
© ElringKlinger

Vergleich: Abscheideleistung einer Scheibenzentrifuge und Standard Impaktor-Vlies-Abscheider, Ölaustrag gemessen an einem 4-Zylinder Dieselmotor.
© ElringKlinger

Schematische Darstellung von Aufbau und Funktion einer Scheibenzentrifuge
© Universität Stuttgart, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik (IMVT)
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Nassabscheider – großer Tropfen fängt kleine

Im Forschungsprojekt wurde erstmalig ein auch für PKW geeignetes kompaktes Nassabscheidekonzept für Öl¬aerosole erprobt. Mit einem neu entwickelten Modell können die Forscher des IMVT die notwendige Strömungsleistung sowie die mittlere Tropfengröße des Zerstäubungsprozesses vorhersagen. Gleichzeitig führten sie Grundlagenversuche durch und entwickelten Auslegungsmodelle, um die Auswirkungen der relevanten sprayseitigen Einflussgrößen auf den Abscheideprozess zu untersuchen. Sie optimierten das Nasswäscher-Konzept; dafür verglichen sie, welche Trenngrade bei Waschtropfensprays durch verschiedene Düsen erreicht werden. Mit Strömungssimulationen und Modellen beschrieben sie das Zerfallsverhalten von Düsensprays aus Hohlkegeldüsen. Mit diesen Daten passten sie das Konzept in Größe und Auslegung für die Abscheidung von Ölaerosolen an (Abb. 1). Neben einer hohen Relativgeschwindigkeit zwischen Waschtropfen und Aerosolpartikel ist auch ein hoher Ölvolumenstrom von Vorteil, denn umso höher ist das Waschtropfenspray konzentriert, und umso wahrscheinlicher ist ein Kontakt mit den Aerosolpartikeln.

ElringKlinger entwickelte eine verbesserte Nassabscheider-Geometrie und integrierte den neuen Nassabscheider in die Zylinderkopfhaube eines 4-Zylinder-Dieselmotors. Dabei sprüht die Ölpumpe des Motors durch eine Hohlkegeldüse Öl in das Blow-by-Gas. Die darin geführten Ölaerosole scheiden sich an den durch Zerstäubung gebildeten, größeren Öltropfen (Waschtropfen) ab. Auf einem Motorenprüfstand wurde die Funktion anhand gravimetrischer Messungen sowie Partikelgrößenmessungen überprüft. Bei Versuchen mit praxisnahem Öldruck und Ölvolumenstrom zeigte sich, dass diese sowie die Größe der Waschzone und die Verweilzeit des Blow-by-Gasvolumenstroms dort entscheidende Faktoren für eine effiziente Abscheidung sind.

In Abbildung 3 sind die aus der Messung der Tropfengrößenverteilungen an einem 4-Zylinder-Dieselmotor eines deutschen OEM berechneten Trenngrade eines Standard Impaktor-Vlies-Abscheiders und eines Wäschers gegenüber gestellt. Beide Systeme sind in die Zylinderkopfhaube integriert und werden im gleichen Druckverlustbereich von ca. 1,6 mbar betrieben. Impaktor-Vlies-Abscheider werden zur Erzielung sehr guter Abscheideleistungen normalerweise in Bereichen zwischen 10 und 20 mbar betrieben. Es zeigt sich, dass für Anwendungen, bei denen nur ein sehr geringer Druckverlust zur Verfügung steht, das Wäscherkonzept eine stark verbesserte Abscheideleistung bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf gewährt.

Scheibenzentrifuge – und der Ölnebel rotiert raus

Hauptbauteil der Scheibenzentrifuge sind parallel übereinander angeordnete, synchron rotierende Scheiben, auf denen sich eine Vielzahl von Kanälen befindet, innerhalb derer die Abscheidung stattfindet. Die Scheiben besitzen eine zentrale Bohrung, durch die das Aerosol den Kanälen auf den Scheiben zugeführt wird (Abb. 2).

Am IMVT untersuchten Forscher, wie Gehäuse und Scheiben der Zentrifuge optimal zu gestalten sind. Dabei wurde als optimale Form für die Kanäle auf den einzelnen Scheiben eine Evolventenform festgelegt. Auf Basis von umfangreichen CFD-Berechnungen mit experimentellem Abgleich entwickelten sie ein reduziertes numerisches Modell, welches die Abscheidung bei verschiedenen Betriebspunkten innerhalb der Kanäle sehr schnell abschätzen kann. In Versuchen ermittelten sie die Grenzen und entscheidenden Einflüsse bei der Integration dieses Konzeptes in einen anwendungsgeeigneten Apparat. In diesem werden mehrere Scheiben übereinander angeordnet, woraus ein Scheibenpaket resultiert. Das verwendete Konzept einer aerodynamischen Dichtung verbessert dabei die Reibleistung und Langzeitlauffähigkeit.

ElringKlinger entwickelte auf Grundlage dieser Erkenntnisse Separatorscheiben mit engen Evolventenkanälen und schmalen begrenzenden Rippenstrukturen und prüfte, wie diese sich für das spätere Serienprodukt aus Kunststoff fertigen lassen. Hier ging es darum, die Herstellbarkeit des Spritzgusswerkzeugs sowie die Füllung der Form mit Kunststoffschmelze einzuschätzen und zu bewerten.

Zur Auslegung des hydraulischen Antriebs der Zentrifuge führten die Forscher Strömungssimulationen und Versuche durch. Hier ging es darum, Druckverluste verschiedener Düsenformen zu erfassen sowie eine möglichst effiziente Fluidführung an der Turbinenradschaufel zu erreichen. Auch die Möglichkeit, den Scheibenseparator elektrisch anzutreiben, wurde untersucht. Dafür sprechen höhere Freiheitsgrade in der Regelung der Zentrifugendrehzahl über das gesamte Betriebskennfeld des Verbrennungsmotors. In Abbildung 4 sind die an einem 4-Zylinder-Dieselmotor gemessenen Ölaustragswerte einer Zentrifuge im Vergleich zu einem Standard Impaktor-Vlies-Abscheider dargestellt. Die hohe Abscheideleistung der Scheibenzentrifuge führt zu einer signifikanten Reduktion des Ölaustrags auf Werte kleiner 0,5g/h Öl für das gesamte motorische Betriebskennfeld.

Systeme senken Ölverbrauch und steigern Effizienz

Speziell im PKW-Bereich können leistungsfähige Ölnebel-Abscheidesysteme auch die Gesamteffizienz des Motors steigern. Sie reduzieren den Kraftstoffbedarf und die Gesamtemissionen. Auch bei Stationärmotoren in Blockheizkraftwerken können bessere Ölnebelabscheider dazu beitragen, den Wirkungsgrad zu steigern.

Bei ElringKlinger wurden die unterschiedlichen Konzepte inzwischen zur Serienreife fertig entwickelt. Die beiden Trennapparate Scheibenzentrifuge und Nasswäscher wurden für den Serieneinsatz in PKW und NFZ von unterschiedlichen OEM angefragt. Aktuell befindet sich ElringKlinger bei einem deutschen PKW-Hersteller mit der Scheibenzentrifuge in der Serienerprobung.

Blow-by-Gase im Kurbelgehäuse

Wenn beim Verbrennungsmotor das Gas-Treibstoff-Gemisch zündet, drücken die expandierenden Verbrennungsgase den Kolben im Zylinder nach unten. Dabei gelangt ein Teil des sogenannten Blow-by-Gases an den Kolbenringen vorbei in das Kurbelgehäuse. Um hier einen unzulässig hohen Druck zu verhindern, wird es in den Ansaugtrakt geleitet. Das Gas ist mit sehr feinen Öltropfen beladen, die deutlich kleiner als 1 μm sind (massenmittlerer Durchmesser 0,8 < d50,3 (μm) < 1,1). Außerdem enthält es Ruß, Wasser und unverbrannten Kraftstoff. Die Ölbestandteile müssen aus der Strömung separiert werden, da sie sich sonst im Ansaugtrakt ablagern und die Funktion von Turboladern, Ladeluftkühlung oder Einlassventilen beeinträchtigen. Für diese anspruchsvolle Trennaufgabe, Öltropfen bei begrenztem Druckverlust sowohl im Volllast- als auch im Leerlaufbetrieb zuverlässig abzuscheiden, werden derzeit hauptsächlich Trägheitsabscheider wie Zyklone oder Prallabscheider (Impaktoren) eingesetzt.

Aktive und passive Abscheidesysteme

Generell gibt es aktive und passive Abscheidesysteme. Bei Prallabscheidern und Zyklonen handelt es sich um passive Systeme. Sie nutzen die Energie der Strömung selbst für die Trennung. Dagegen versetzt von außen zugeführte Energie einen Tellerseparator in Rotation. Je stärker das dadurch induzierte Zentrifugalfeld ist, desto besser ist die Trennung.

Nassabscheider werden vorwiegend in großtechnischen Maßstäben in der Eisen- und Stahlindustrie sowie in chemischen Betrieben eingesetzt, um feste, flüssige oder gasförmige Verunreinigungen aus Gasen abzureinigen. Bei ihnen handelt es sich ebenfalls um ein aktives Abscheidekonzept: Die Energie für den Trennprozess wird über die Zerstäubung der Waschflüssigkeit eingebracht.

In einem Hybridkonzept kombinieren die Forscher Nasswäscher und Impaktor-Vlies-Separator in einer Zylinderkopfhaube. Das Blow-by-Gas passiert auf dem Weg in den Ansaugtrakt nacheinander Waschzone und Passivabscheider.

Projektinfo 16/2017:
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Merkzettel

Adressen

Betriebliche Optimierung Abscheidesystem | Herstellung und Test der Abscheidesysteme
Elring Klinger AG

Entwicklung Abscheidesystem | Modellierung und Computersimulation des Abscheidemechanismus
Universität Stuttgart, IMVT

Links

IMVT
Universität Stuttgart – Institut für Mechanische Verfahrenstechnik

ElringKlinger AG
Website der ElringKlinger AG

Kunststoffmodule und Ölnebelabscheidung
Info-Broschüre der ElringKlinger AG

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.