DE102020203314A1

DE102020203314A1 - Luftreinigungsanordnung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020203314A1
Application number: DE102020203314.5A
Authority: DE
Inventors: Fehime Demir; Timo Michel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-03-16
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2021-09-16

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Luftreinigungsanordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen von einem Luftstrom durchströmbaren Kanalabschnitt, in dem eine erste Luftreinigungseinheit (10) zur Entfernung von Partikeln aus dem Luftstrom angeordnet ist,Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Luftreinigungseinheit (10) ausgebildet ist als ein bei Betrieb von dem Luftstrom durchströmter, elektrostatischer Staubabscheider mit einer lonisationszone, in der bei Betrieb ein elektrisches Feld anliegt, sowie mit einer der lonisationszone in Strömungsrichtung nachgeschalteten Abscheidezone, in der sich bei Betrieb in der lonisationszone elektrostatisch geladene Stäube auf wenigstens einer entgegengesetzt geladenen Abscheideplatte (16) ablagern.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Luftreinigungsanordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen von einem Luftstrom durchströmbaren Kanalabschnitt, in dem eine erste Luftreinigungseinheit zur Entfernung von Partikeln aus dem Luftstrom angeordnet ist.
Derartige Luftreinigungsanordnungen für Kraftfahrzeuge sind allgemein bekannt. Sie umfassen in der Regel ein Gebläse, welches einen Luftstrom durch einen typischerweise mit Luftleitelementen versehenen Kanal erzeugt, der insbesondere in Luftauslässen in der Fahrgastzelle endet. Bei dem Luftstrom kann es sich um einen Um- oder Frischluftstrom handeln, wobei regelmäßig auch Einstellmöglichkeiten für einen kombinierten Luftstrom vorhanden sind. Insbesondere im Frischluftbetrieb ist es wünschenswert, die Luft vor dem Einblasen in die Fahrgastzelle zu reinigen, um Stäube, wie beispielsweise Straßenstaub, Pollen etc., nicht ins Fahrzeuginnere gelangen zu lassen. Hierzu werden regelmäßig Filter eingesetzt, d. h. poröse Medien, die von dem Luftstrom durchströmt werden und an deren Poren die auszufilternden Stäube hängenbleiben. Um derartige Filter wirkungsvoll zu machen, müssen die Poren vergleichsweise klein sein, wodurch sich allerdings ein erheblicher Strömungswiderstand einstellt. Dies ist für die wesentlich auf Konvektion basierende Innenraumklimatisierung in Kraftfahrzeugen, die regelmäßig nach hohen Luftdurchsätzen verlangt, nachteilig. Zudem setzen sich derartige Filter schnell zu, was ihren Luftwiderstand weiter erhöht.
Aus dem Bereich der Haus-, insbesondere der Küchentechnik sind sogenannte elektrostatische Abscheider bekannt, die in Dunstabzugshauben Einsatz finden. In derartigen Dunstabzügen wird Luft angesaugt und durch eine lonisationszone strömen gelassen. In der lonisationszone befindet sich eine typischerweise drahtförmig ausgebildete, auf Hochspannungpotential liegende lonisationselektrode, zwischen der und wenigstens einer benachbarten Gegenelektrode ein hohes elektrisches Feld anliegt. Die lonisationszone durchströmende Gasemoleküle werden teilweise ionisiert. Bei nachfolgenden Kollisionen mit Staubpartikeln geben sie ihre Ladung teilweise an jene ab, sodass die Staubpartikel elektrisch geladen sind. Hinter der lonisationszone durchströmt der Luftstrom eine Abscheidezone, in der nach Art eines Plattenkondensators aufgebaute Abscheideplatten zwischen sich ein weiteres elektrisches Feld erzeugen, in dem die geladenen Staubpartikel je nach ihrer Ladung auf eine der Abscheideplatten abgelenkt werden und dort anhaften. Eine derartige Dunstabzugshaube ist bekannt aus der DE 10 2017 204 061 A1 . Eine prinzipiell gleichartig wirkende Abzugshaube ist bekannt aus der DE 2 146 288 A .
Ausgehend von bekannten Luftreinigungsanordnungen für Kraftfahrzeuge ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, deren Strömungswiderstand zu reduzieren, um bei reduziertem Energieaufwand für das Gebläse längere Standzeiten zu ermöglichen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die erste Luftreinigungseinheit ausgebildet ist als ein bei Betrieb von dem Luftstrom durchströmter, elektrostatischer Staubabscheider mit einer lonisationszone, in der bei Betrieb ein elektrisches Feld anliegt, sowie mit einer der lonisationszone in Strömungsrichtung nachgeschalteten Abscheidezone, in der sich bei Betrieb in der lonisationszone elektrostatisch geladenen Stäube auf wenigstens einer entgegengesetzt geladenen Abscheideplatte ablagern.
Der Kerngedanke der Erfindung liegt zunächst darin, anstelle eines echten Filters als Luftreinigungseinheit einen elektrostatischen Staubabscheider einzusetzen, wie er prinzipiell vom dem technisch weit entfernten Gebiet der Haus- und Küchentechnik grundsätzlich bekannt ist.
Wie bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, kann diese als elektrostatischer Staubabscheider ausgebildete, erste Luftreinigungseinheit in Strömungsrichtung einer als passiver Partikelfilter ausgebildeten, zweiten Luftreinigungseinheit vorgeschaltet sein. Dies widerspricht nicht der oben erläuterten Problemdarstellung. Vielmehr kann der Hauptteil der Stäube mittels des elektrostatischen Staubabscheiders dem Luftstrom entzogen werden, sodass sich ein nachfolgend angeordneter Filter zum einen deutlich weniger schnell zusetzt und zum anderen für spezifische Aufgaben konfektioniert sein kann, beispielsweise als Aktivkohlefilter zur Entfernung von unangenehmen Gerüchen. In jedem Fall kann der Gesamt-Strömungswiderstand der Luftreinigungsanordnung geringer ausfallen als bisher bekannt.
Ein wesentlicher Grund, der den Fachmann bislang davon abhielt, die grundsätzlich bekannten elektrostatischen Staubabscheider in Kraftfahrzeugen einzusetzen, ist deren Optimierung für den statischen Einsatz. So sind die bekannten, statische Staubabscheider einsetzenden Dunstabzugshauben auf lange Betriebszeiten mit kontinuierlichem, in seiner Stärke gleichbleibendem Luftstrom ausgelegt. Diese statische Situation entspricht jedoch nicht der Problemlage im Kraftfahrzeug. Hier liegen, bedingt durch unterschiedliche Fahrtgeschwindigkeiten und stark variierende, von der Klimatisierungsautomatik vorgegebene Gebläseleistungen, stark unterschiedliche Luftstromstärken vor. Bei isolierter Übernahme bekannter elektrostatischer Staubabscheider in Kraftfahrzeuge würde also eine stark luftstromstärkenabhängige Reinigungswirkung resultieren, was nicht wünschenswert ist.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass ein mit einer Steuerungseinheit wirkverbundener Partikelmengensensor der ersten Luftreinigungseinheit in Strömungsrichtung nachgeschaltet ist und die Steuerungseinheit eingerichtet ist, das in der lonisations- und/oder Abscheidezone anliegende elektrische Feld in Abhängigkeit von dem Signal des Partikelmengensensors zu steuern. Die Elektroden- und Abscheideplatten-Abstände können dabei für einen maximalen Luftstrom optimiert ausgelegt sein. Die Effizienz der Reinigungswirkung wird durch Anpassung der in der lonisations- und/oder Abscheidezone anliegenden Spannung jeweils bedarfsgerecht angepasst. Die jeweils benötigte Reinigungseffizienz wird dabei abhängig vom jeweils aktuellen Reinigungsergebnis bestimmt.
Beispielsweise kann ein absoluter Reinigungsbedarf anhand der hinter der ersten Luftreinigungseinheit herrschenden Luftqualität bestimmt werden. Diese sollte oberhalb einer vorgegebenen Mindestqualität bleiben. Eine solche Mindestqualität kann beispielsweise anhand einer Partikeldichte innerhalb eines vom Partikelmengensensor beobachteten Messvolumens, welches von der partikelbelasteten Luft durchströmt wird, bestimmt werden. Die konkrete Natur des Partikelmengensensors spielt dabei keine Rolle. Rein beispielhaft seien jedoch optische, streuungsbasierte Partikeldichtesensoren als mögliche Ausführungsform genannt.
Die Steuerungseinheit kann dabei eingerichtet sein, die Stärke des elektrischen Feldes gleichsinnig zur Variation einer mittels des Partikelmengensensors gemessenen Partikelmenge zu variieren. Mit anderen Worten soll bei dieser Ausführungsform die Stärke des elektrischen Feldes erhöht werden, wenn die hinter der ersten Luftreinigungseinheit gemessene Partikelmenge steigt.
Alternativ zu diesem eher absoluten Ansatz kann in der Steuerungseinheit ein eher relativer Ansatz verfolgt werden. So ist bei einer alternativen Ausführungsform vorgesehen, dass ein mit der Steuerungseinheit wirkverbundener Referenz-Partikelmengensensor der ersten Luftreinigungseinheit in Strömungsrichtung vorgeschaltet und die Steuerungseinheit eingerichtet ist, das in der lonisations- und/oder Abscheidezone anliegende elektrische Feld in Abhängigkeit von einem Differenz- oder Verhältnissignal der Partikelmengensensoren zu steuern. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Steuerungseinheit eingerichtet ist, die Stärke des elektrischen Feldes gleichsinnig zur Variation des Differenz- oder Verhältnissignals zu variieren. Bei diesem relativen Qualitätsbestimmungsansatz wird also die Partikelmenge vor und hinter der ersten Luftreinigungseinheit gemessen und verglichen. Hieraus ergibt sich, beispielsweise durch Differenz- oder Quotientenbildung ein Maß für die aktuelle Reinigungseffektivität. Die Steuerungseinheit ist dann derart eingerichtet, dass sie das elektrische Feld in der lonisationszone stets so nachregelt, dass eine Mindest-Reinigungseffektivität erzielt wird.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn in der lonisationszone eine bei Betrieb gegenüber ihrer Umgebung, repräsentiert beispielsweise durch ein geerdetes Gehäuse, spannungsbeaufschlagte, sägeblattförmige lonisationselektrode angeordnet ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Elektroden den Kanalabschnitt quer durchsetzen, wobei die Sägezähne der sägeblattförmigen lonisationselektrode in Strömungsrichtung ausgerichtet sind. An den Zahnspitzen der Sägezähne einer derart geformten Elektrode bilden sich besonders hohe Felder, die der beabsichtigten Ionisation zugutekommen. Insbesondere erlaubt eine solche Formgebung insgesamt eine geringere Spannungsbeaufschlagung zur Erzielung der erforderlichen Ionisation.
Zur weiteren Effizienzsteigerung hat es sich als günstig erwiesen, wenn die erste Luftreinigungseinheit eine Mehrzahl parallel zueinander angeordneter lonisations- und zugeordneter Abscheidezonen aufweist. Mit einer solchen Anordnung kann insgesamt die Luftdurchtrittsöffnung vergrößert werden, ohne dass zum Aufbau ausreichend hoher elektrischer Felder übermäßig hohe Spannungen angelegt werden müssten.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Einzelmoduls einer erfindungsgemäßen Luftreinigungseinrichtung,
2 eine Seitenansicht des Moduls von 1 sowie
3 eine Frontansicht einer erfindungsgemäßen Luftreinigungseinrichtung mit vier Modulen gemäß den 1 und 2.

Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
Die in 3 dargestellte Luftreinigungseinrichtung 10 umfasst vier einzelne Module 100, die im Detail in den 1 und 2 gezeigt sind, an denen die weiteren Erläuterungen ausgerichtet werden sollen. 1 zeigt ein derartiges Luftreinigungsmodul 100 in perspektivischer Darstellung. 2 zeigt das Modul 100 in Seitenansicht. Die Luftreinigungseinrichtung 10 bzw. deren einzelne Module 100 eignen sich insbesondere als Vorschaltelement für einen herkömmlichen Luftfilter. Sie wirken als Staubabscheider und reduzieren so die Partikelbelastung des gemäß dem Richtungspfeil 12 angesaugten bzw. eingeblasenen Luftstroms, sodass sich die in den Figuren nicht dargestellten, nachgeschalteten Luftfilter weniger schnell zusetzen.
Eingangsseitig weist jedes Modul 100 zwei sägezahnförmige Ionisationselektroden 14 auf, die gegenüber der geerdeten Umgebung unter Hochspannung von beispielsweise 10 bis 20 kV stehen. Insbesondere durch die Feldspitzen an den Sägezahnspitzen der lonisierungselektroden 14 werden Gasmoleküle des Luftstroms ionisiert und geben ihre Ladung bei Kollision mit Staubpartikeln im Luftstrom an diese ab. Die Staubpartikel erfahren dadurch eine elektrostatische Aufladung. Im Anschluss durchströmt der Luftstrom einen Spalt zwischen zwei Abscheideplatten 16, die nach Art eines Plattenkondensators relativ zueinander elektrisch vorgespannt sind. Die Spannung zwischen den beiden Abscheideplatten 16 jedes Moduls liegt ebenfalls im Bereich von einigen kV. Beispielsweise kann eine der Platten gegenüber der geerdeten Gegenplatte auf einer Hochspannung von 7 kV liegen. Im Spalt zwischen den beiden Abscheideplatten 16 werden die elektrostatisch geladenen Staubpartikel entsprechend ihrer Ladung auf eine der Abscheideplatten 16 abgelenkt, wo sie haften bleiben und somit dauerhaft dem Luftstrom entzogen werden.
Mit den Elektroden 14, 16 ist eine in den 1 und 2 nicht dargestellte und in 3 nur anhand ihres Gehäuses 18 erkennbare Steuerungseinheit verbunden. Mit dieser Steuerungseinheit sind außerdem zwei in den 1 und 2 nur schematisch angedeutete Partikelmengensensoren 20, 22 verbunden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Partikelmengensensor 20 dem Modulausgang in Strömungsrichtung nachgeschaltet. Der Referenz-Partikelmengensensor 22 ist dem Moduleingang in Strömungsrichtung vorgeschaltet. Bei anderen Ausführungsformen kann ein einzelner Partikelmengensensor 20, der dem Modulausgang nachgeschaltet ist, genügen. Dieser misst die Partikelmenge im modulausgangsseitigen Luftstrom und liefert somit ein Absolutmaß für die Effektivität der Luftreinigung. Bei zwei Partikelmengensensoren, d. h., wie dargestellt, mit dem Partikelmengensensor 20 und einem Referenz-Partikelmengensensor 22, kann alternativ oder zusätzlich auch eine relative Bestimmung der Luftreinigungseffektivität erfolgen.
Die Messdaten der Partikelmengensensoren 20, 22 werden an die Steuerungseinheit gesendet, die daraufhin nach vorgegebenen, im Speicher hinterlegten Regeln eine Bewertung der Reinigungseffektivität vornimmt und die Spannung, die an den Ionisationselektroden 14 und/oder den Abscheideplatten 16 anliegt, entsprechend korrigiert, insbesondere erhöht, wenn die Reinigungseffektivität unterhalb eines wünschenswerten Niveaus liegt.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere ist die konkrete Art und Weise der Partikelmengenmessung in den Sensoren 20, 22 vom Fachmann beliebig wählbar. Auch die konkrete Wahl des Spannungsniveaus, die an den Elektroden 14 bzw. den Abscheideplatten 16 anzulegen ist, ist an den jeweiligen Einzelfall anzupassen. Dies gilt ebenso für die Plattenabstände zwischen den Abscheideplatten 16, die entscheidend für das Gesamt-Durchsatzvolumen des Luftstroms sind.
Bezugszeichenliste

10: Luftreinigungseinheit
12: Richtungspfeil
14: lonisationselektrode
16: Abscheideplatte
18: Steuerungsgehäuse
20: Partikelmengensensor
22: Referenz-Partikelmengensensor
100: Luftreinigungsmodul

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017204061 A1 [0003]
DE 2146288 A [0003]

Claims

Luftreinigungsanordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen von einem Luftstrom durchströmbaren Kanalabschnitt, in dem eine erste Luftreinigungseinheit (10) zur Entfernung von Partikeln aus dem Luftstrom angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Luftreinigungseinheit (10) ausgebildet ist als ein bei Betrieb von dem Luftstrom durchströmter, elektrostatischer Staubabscheider mit einer lonisationszone, in der bei Betrieb ein elektrisches Feld anliegt, sowie mit einer der lonisationszone in Strömungsrichtung nachgeschalteten Abscheidezone, in der sich bei Betrieb in der lonisationszone elektrostatisch geladene Stäube auf wenigstens einer entgegengesetzt geladenen Abscheideplatte (16) ablagern.
Luftreinigungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einer Steuerungseinheit wirkverbundener Partikelmengensensor (20) der ersten Luftreinigungseinheit (10) in Strömungsrichtung nachgeschaltet ist und die Steuerungseinheit eingerichtet ist, das in der lonisations- und/oder Abscheidezone anliegende elektrische Feld in Abhängigkeit von dem Signal des Partikelmengensensors (20) zu steuern.
Luftreinigungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit eingerichtet ist, die Stärke des elektrischen Feldes gleichsinnig zu Variationen einer mittels des Partikelmengensensors (20) gemessenen Partikelmenge zu variieren.
Luftreinigungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit der Steuerungseinheit wirkverbundener Referenz-Partikelmengensensor (22) der ersten Luftreinigungseinheit (10) in Strömungsrichtung vorgeschaltet und die Steuerungseinheit eingerichtet ist, das in der lonisations- und/oder Abscheidezone anliegende elektrische Feld in Abhängigkeit von einem Differenz- oder Verhältnissignal der Partikelmengensensoren (20, 22) zu steuern.
Luftreinigungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit eingerichtet ist, die Stärke des elektrischen Feldes gleichsinnig zu Variationen des Differenz- oder Verhältnissignals zu variieren.
Luftreinigungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der lonisationszone eine bei Betrieb gegenüber ihrer Umgebung spannungsbeaufschlagte, sägeblattförmige lonisationselektrode (14) angeordnet ist.
Luftreinigungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden den Kanalabschnitt quer durchsetzen, wobei die Sägezähne der sägeblattförmigen lonisationselektrode (14) in Strömungsrichtung ausgerichtet sind.
Luftreinigungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Luftreinigungseinheit (10) eine Mehrzahl parallel zueinander angeordneter lonisations- und zugeordneter Abscheidezonen aufweist.
Luftreinigungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Luftreinigungseinheit (10) in Strömungsrichtung eine als passiver Partikelfilter ausgebildete, zweite Luftreinigungseinheit nachgeschaltet ist.