AT520512A1 - Verbrennungsmotor - Google Patents

Abstract

Verbrennungsmotor, umfassend ein Kurbelgehäuse (1), einen Ansaugtrakt (15), eine Blow-by- Gas-Leitung (5, 7) mit einer Blow-by-Filtereinheit (6) und einer Flammensperre (9), wobei die Blow-by-Gas-Leitung (7) zum Ansaugtrakt (15) führt, wobei die Eintrittsmündung (8) der Blow- by-Gas-Leitung (7) innerhalb des Ansaugtrakts (15) ist und dass im Bereich der Eintrittsmündung (8) eine Flammensperre (9) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, umfassend ein Kurbelgehäuse, einen Ansaugtrakt, eine Blow-by-Gas-Leitung mit einer Blow-by-Filtereinheit und einer Flammensperre, wobei die Blow-by-Gas-Leitung zum Ansaugtrakt führt. Weiters betrifft die Erfindung eine Kurbelgehäuseentlüftung.

Hintergrund der Erfindung

Im Betrieb von Verbrennungsmotoren wie Diesel- oder Ottomotoren sammeln sich Leckgase im Kurbelgehäuse an, die daraus wieder abgeleitet werden müssen, um einen Druckanstieg zu vermeiden. Ein Hauptgrund für die Entstehung dieser Leckgase sind Undichtheiten an den Kolbenringen, sodass ein kleiner Teil des Verbrennungsgases zwischen Zylinderlaufbüchse und der Kolbenringgruppe aus dem Brennraum in das Kurbelgehäuse überströmen kann. Aus diesem Grund spricht man im Zusammenhang mit dem Kurbelgehäuse-Gas häufig von Blowby-Gas. Da dieses Blow-by-Gas unverbrannte Kraftstoffkomponenten sowie einen Ölnebelanteil enthält, darf es nicht in die Umgebung abgeleitet werden.

Aus diesem Grund wird das Blow-by-Gas meist dem Verbrennungsprozess wieder zugeführt. Um Probleme am Verbrennungsmotor im Zusammenhang mit der Ölfracht im Blow-by-Gas zu vermeiden, sind Filter vorgesehen, die Öl aus dem Bow-by-Gas abscheiden und das abgeschiedene Öl dem Ölkreislauf des Verbrennungsmotors wieder zuführen.

Es sind verschiedene Ansätze für Kurbelgehäuse-Entlüftungssysteme bekannt, welche den Ölnebel aus dem Blow-by-Gas abscheiden sowie das von Öl befreite Blow-by-Gas in den Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zurückführen.

in einigen Anwendungsfällen können im Zusammenhang mit Kurbelgehäuseentlüftungen sicherheitstechnische Probleme auftreten. Bei Gasmotoren, d.h. mit einem Gas (z.B. Erdgas, H2, etc.) ottomotorisch betriebenen Verbrennungsmotoren, hängen diese Probleme damit zusammen, dass das Blow-by-Gas im Lambda = 1 - Betrieb entflammbar ist. Bei Verbrennungsmotoren mit äußerer Gemischbildung kann es unter bestimmten Umständen zu Rückzündungen in den Ansaugtrakt kommen, wobei eine Druckwelle, die von einer Flammenfront ausgehend vom Brennraum in die Ansaugleitung zurückläuft. Bei einer Betriebsweise des Verbrennungsmotors bei einem Lambda zwischen 0,9 und 1,15 besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, dass das Blow-by-Gas am Ort der Einleitung in den Ansaugtrakt entzündet wird und die Flamme zurück in den Ölnebelabscheider gelangt, wo ein / 14 stationärer Brand die Folge sein kann. Solche Fälle sind oft mit einer Beschädigung am Verbrennungsmotor und der Gefahr eines ausgedehnten Brandes im Bereich der Motoranlage verbunden.

DE 103 06 499 A1 beschreibt bereits eine Lösung, wie eine Rückzündung in den Blow-byFilter vermieden werden kann. Dabei ist in der Blow-by-Gas-Leitung eine Flammensperre mit einem Druckregelventil vorgesehen, welche in Kombination ein Zurücklaufen der Flammenfront in den Blow-by-Filter verhindern. Die Eintrittsmündung der Blow-by-Gas-Leitung ist in DE 103 06 499 A1 außerhalb des Ansaugtrakts angeordnet. Die Lösung von DE 103 06 499 A1 ist insofern nachteilig, als das Druckregelventil zerstörungsanfällig ist. Außerdem führt es beim Öffnen und Schließen zu sprunghaften Druckveränderungen im Verbrennungsmotor.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verbrennungsmotors mit Kurbelgehäuseentlüftung bzw. einer Kurbelgehäuseentlüftung, bei welchen die genannten Nachteile vermieden sind. Insbesondere soll ein einfaches System bereitgestellt werden, welches ein Zurücklaufen der Flammenfront in den Ansaugtrakt vermeidet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor, umfassend ein Kurbelgehäuse, einen Ansaugtrakt, eine Blow-by-Gas-Leitung mit einer Blow-by-Filtereinheit und einer Flammensperre, wobei die Blow-by-Gas-Leitung zum Ansaugtrakt führt, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsmündung der Blow-by-Gas-Leitung innerhalb des Ansaugtrakts angeordnet ist und dass im Bereich der Eintrittsmündung eine Flammensperre angeordnet ist.

Außerdem wird diese Aufgabe gelöst durch eine Kurbelgehäuseentlüftung, umfassend eine Blow-by-Gas-Leitung mit einer Blow-by-Filtereinheit und einer Flammensperre, wobei die Blow-by-Gas-Leitung mit dem Ansaugtrakt verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsmündung der Blow-by-Gas-Leitung innerhalb des Ansaugtrakts ist und dass im Bereich der Eintrittsmündung eine Flammensperre angeordnet ist.

Die weiteren Ausführungen gelten für den Verbrennungsmotor und die Kurbelgehäuseentlüftung gleichermaßen.

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In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Eintrittsmündung in einer Seitenwand einer Ansaugleitung des Ansaugtrakts liegt.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Flammensperre an der Eintrittsmündung des Blow-byGases direkt an der Ansaugleitung angeordnet ist und mit der Ansaugleitung fest verbunden ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Flammensperre im Wesentlichen mit der Seitenwand der Ansaugleitung bündig abschließt.

Eine seitliche Einleitung der Blow-by-Gase in den Ansaugtrakt führt zu einer Verwirbelung im Bereich der Durchmischung von Ansaugluft und Blow-by-Gas, welche eine Rückzündung erschwert.

Die Ansaugluft des Verbrennungsmotors strömt parallel zur mündungsseitigen Grenzfläche der Strukturelemente der Flammensperre entlang.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Flammensperre Strukturelemente, vorzugsweise eine Gitterstruktur, ein Maschengeflecht, ein Maschennetzwerk oder eine Kombination daraus, umfasst. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Flammensperre aus einer vorzugsweise ungeordneten Gitterstruktur, einem Maschengeflecht, einem Maschennetzwerk oder einer Kombination daraus besteht.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Strukturelemente in das Gehäuse der Flammensperre eingesetzt sind, wobei das Gesamtvolumen der Strukturelemente bezogen auf dessen Material, zwischen 1 und 10 Vol.% des Gehäusevolumens in Anspruch nimmt.

Um die Strömung innerhalb des Ansaugtrakts zu optimieren, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Flammensperre Strukturelemente mit einer gekrümmten Oberflächen-Topografie aufweist, wobei die über alle Strukturelemente gemittelte Oberflächenkrümmung einen Krümmungsradius zwischen 1 und 3 mm aufweist.

Weiter kann vorgesehen sein, dass die Strukturelemente eine mittlere Wandstärke zwischen 0,05 und 0,35 mm aufweisen.

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Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass die Oberflächen der Strukturelemente in einer Ausdehnungsrichtung eingegrenzt sind, wobei die Abmessungen in diese Richtung zu 90 % innerhalb eines Wertebereiches zwischen 0,5 und 3 mm angesiedelt sind.

Weiters kann vorgesehen sein, dass die auf den Querschnitt des freien Gehäusevolumens quer zur Strömungsrichtung bezogene Strömungsgeschwindigkeit des Blow-by-Gases bei der Volllast-Leistung des Motors innerhalb eines Wertebereiches zwischen 0,1 und 0,7 m/s angesiedelt ist.

In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Strukturelemente aus einem Material bestehen, welches eine spezifische Wärmekapazität von größer als 0,2 kJ/(kg°K) aufweist.

Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass die Strukturelemente aus einem offenporigen Schaumkörper bestehen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Weitere Vorteile und Details der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren und der dazugehörenden Figurenbeschreibung erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Detailansicht der Flammensperre und der Einmündungsstelle.

Gegenstand der Erfindung ist eine Kurbelgehäuseentlüftung eines Verbrennungsmotors sowie ein Verbrennungsmotor, mit einer Rückführung des Kurbelgehäuse-Gases (Blow-by-Gas) in die Ansaugleitung des Verbrennungsmotors. Der im Rahmen der Erfindung dargestellte Lösungsverschlag bezieht sich auf die Verbindung zwischen Blow-by-Filtereinheit in Form eines Ölnebelabscheiders und der Stelle, an der das vom Ölnebel gereinigte Blow-by-Gas in den Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors wieder eingeleitet wird.

Die Erfindung löst das Problem die Entzündung des Blow-by-Gases direkt am Ort der Einleitung zu verhindern, sodass keine Flammausbreitung in Richtung Blow-by-Filtereinheit mehr möglich ist. Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass im Bereich der Eintrittsmündung in den Ansaugtrakt eine Flammensperre eingebracht ist. Diese besteht z.B. aus Strukturelementen, beispielsweise einer ungeordneten Gitterstruktur, einem Maschengeflecht, einem Maschennetzwerk oder einer Kombination daraus oder einem offenporigen / 14

Schaumkörper aus Metall oder Keramik. Die Flammensperre weist bevorzugt sehr spezielle Eigenschaften und Merkmale auf. Die Gestalt der Oberflächen der Strukturelemente kann z.B. gekrümmte Oberflächen aufweisen. Auch kann über die Faserstärke und die mittlere Massenbelegung des mit dem Flammensperrmaterial ausgefüllten Volumens die Flammensperre beeinflusst werden. Auch die spezifische Wärmekapazität des Materials der Strukturelemente kann die Flammensperre beeinflussen.

Bei Auftreten einer Rückzündung wird eine stoßwellenartige Flammenfront im Ansaugtrakt erzeugt, die mit einer Relativ-Geschwindigkeit von > 100 m/s die Grenzfläche der Mündungsöffnung der Eintrittsmündung für das Blow-by-Gas in die Ansaugleitung überstreicht. An dieser Begrenzungsfläche wird durch die ungeordnete Gitterstruktur eine starke Mikroturbulenz erzeugt, wobei die Flamme stark zerklüftet und durch den intensiven Wandkontakt stark gekühlt und damit gelöscht wird.

Auf diese Weise erfolgt eine Verlöschung der Flamme innerhalb einer Schichtdicke der Strukturelemente von wenigen mm und zwar direkt an der Eintrittsmündung des Blow-by in den Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors. Ohne diese Maßnahme würde durch die Druckwirkung der Rückzündung die Flamme in die Verbindungsleitung zwischen Blow-byFilter und Einmündungsstelle hineingedrückt, wo sie sich zum Blow-by-Filter fortpflanzt. Mit der vorgeschlagenen Maßnahme wird aber eine Flammenfortschreitung in Richtung Blow-byFilter unterbunden.

Die Auslegung bzw. Gestaltung der Strukturelemente erfolgt nicht nur nach den Kriterien einer optimalen Flamm-Verlöschung, sondern auch unter Berücksichtigung der Vermeidung von Nachteilen bei den Kosten und dem Gesamtdruckabfall im KurbelgehäuseEntlüftungssystems.

Die Summe der Anforderungen können dadurch erfüllt werden, dass die mittlere Geschwindigkeit des Blow-by-Gases innerhalb der ungeordneten Gitterstruktur auf einen relativ engen Bereich beschränkt wird und gleichzeitig die Gesamtmasse und die spezifische Oberfläche der Gitterstruktur bezogen auf den Volllast-Volumenstrom des Blow-by-Gases ebenfalls innerhalb eines relativ eng begrenzten Bereiches gehalten wird. Vorteilhaft ist, wenn die Gitterstruktur stark gekrümmte Oberflächen mit starker Zerklüftung bzw. Zerfaserung aufweist. Eine bevorzugte Topologie bzw. Gestalt der Strukturelemente ist beispielsweise ein Metallstreifen-Geflecht mit einer Streifenbreite zwischen 1 und 3 mm und einer Streifendicke von 0,05 - 0,3 mm.

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Eine andere bevorzugte Möglichkeit der Realisierung einer geeigneten Flammensperre mit den geforderten Eigenschaften bietet sich durch den Einsatz spezieller offenporiger Schaumkörper aus einem Material mit entsprechender Temperaturbeständigkeit und der geforderten spezifischen Wärmekapazität.

In Fig. 1 ist das Schema eines Verbrennungsmotors in Form eines Gasmotors bzw. einer Kurbelgehäuseentlüftung gezeigt. Der Verbrennungsmotor umfasst das Kurbelgehäuse 1, von dem eine Blow-by-Gas-Leitung 5 mit einer Blow-by-Filtereinheit 6 über die Verbindungsleitung 7 in den Ansaugtrakt 15 führt. Der Ansaugtrakt 15 weist neben dem Luftfilter 2, einen Gasmischer 3 auf, in welchem Luft aus dem Luftfilter und Brennstoff (Gas wie CH4, Erdgas oder H2) vermischt werden, sodass ein bestimmtes Lambda gebildet wird. Über die Drosselklappe 4 wird das Brennstoff/Luftgemisch in den jeweiligen Brennraum geleitet. Weiters ist eine Flammensperre 9 an der Eintrittsmündung 8 vorgesehen. Die Flammensperre 9 und die Eintrittsmündung 8 sind innerhalb des Ansaugtrakts 15 vorgesehen.

Das Blow-by-Gas wird aus dem Kurbelgehäuse 1 des Verbrennungsmotors heraus und zur Blow-by-Filtereinheit 6 geleitet. Hier wird der Ölnebel abgetrennt und das gereinigte Blow-byGas in den Ansaugtrakt 15 an der Eintrittsmündung 8 eingeleitet und der motorischen Verbrennung zugeführt. An der Eintrittsmündung 8 ist die erfindungsgemäße Flammensperre 9 vorgesehen. Diese Flammensperre 9 kann als Teilkomponente zusammen mit der Ansaugleitung eine integrale Einheit darstellen, oder ein fester Bestandteil der Verbindungsleitung zwischen Blow-by-Filtereinheit 6 und Ansaugleitung 10 sein. Die Flammensperre 9 kann aber auch eine eigenständige Komponente zwischen der Ansaugleitung 10 und der Verbindungsleitung darstellen.

In Fig. 2 ist schematisch die Anordnung und der Aufbau der Flammensperre 9 gezeigt, wobei die Bezugszeichenzuordnung jener von Fig. 1 entspricht. Die Ansaugluft strömt entlang der Ansaugleitung 10 tangential an der Eintrittsmündung 8 der Flammensperre 9, wobei in der Ansaugleitung 10 eine Öffnung 11 vorgesehen ist. Die Ansaugluft strömt vorbei und erzeugt an der Grenzfläche der Strukturelemente 12 der Flammensperre 9 eine starke Mikroturbulenz. Im Falle des Auftretens einer Rückzündung, tritt kurzzeitig ein sehr starker Geschwindigkeitsimpuls entgegen der regulären Strömungsrichtung auf, wobei an der Grenzfläche der Flammensperre 9 die Mikroturbulenz extrem verstärkt wird. Dadurch erfährt die Flamme einen intensiven Wandkontakt mit entsprechend hoher Wärmeübertragung.

Innerhalb der Flammensperre 9 kommt es dabei zu einer spontanen Flammenverlöschung und die Blow-by-Gas-Leitung 7 zwischen Ansaugleitung 10 und Blow-by-Filtereinheit 6 ist dadurch / 14 gegen das Eindringen der Rückzündungsflamme gesichert. Wie bereits angeführt, sind für die ordnungsgemäße bzw. sichere Funktion der Flammensperre 9 bestimmte Auslegungskriterien und Konstruktionsmerkmale sowie Materialeigenschaften vorteilhaft. Von besonderem Einfluss ist die Struktur und Konsistenz der Strukturelemente. Dabei sind unter dem Begriff „ungeordnete Wabenstruktur“ unterschiedliche Möglichkeiten der Realisierung zusammengefasst. Beispielsweise kann dies durch eine spezielle Konsistenz und Gestaltung eines offenporigen Schaumkörpers realisiert werden. Ebenfalls sind Metall- oder KeramikMaschengebilde oder Metallschwämme dafür geeignet, wenn definierte Gestaltungsmerkmale eingehalten werden.

Bezüglich der erfindungsgemäß vorteilhaften Gestaltungselemente sind zusammenfassend folgende Kriterien und Merkmale für eine sichere Funktion der Flammensperre 9 von Einfluss:

- Positiv wirkt sich eine gekrümmte Oberflächenstruktur der Strukturelemente, bevorzugt mit einem mittleren Krümmungsradius zwischen 1 und 3 mm, aus.

- Die Strukturelemente weisen bevorzugt eine mittlere Wandstärke zwischen 0,1 und 0,35 mm auf.

- Wenn die Oberflächen der Strukturelemente zu mindestens 90 % in einer Richtung eine definierte Ausdehnung aufweisen, die größer ist als 0,5 mm jedoch kleiner als 3 mm ist, erfolgt eine besonders vorteilhafte Flammensperre.

- Das Material der Strukturelemente weist bevorzugt eine spezifische Wärmekapazität aufweisen von größer 0,2 kJ/(kg K) auf.

- Die mittlere Materialbelegung des Gehäusevolumens, in dem die Strukturelemente eingesetzt sind, haben sich in einem Wertebereich zwischen 1 Vol.% und 10 Vol.% als vorteilhaft erwiesen.

- Eine besonders effiziente Ausführungsvariante sieht vor, dass die auf den Querschnitt des freien Kammervolumens, quer zur Strömungsrichtung bezogene Strömungsgeschwindigkeit des Blow-by-Gases bei der Volllastleistung des Verbrennungsmotors einen Wert zwischen 0,1 und 0,7 m/s aufweist.

Durch die Flammensperre sollte zum einen der Druckverlust im KurbelgehäuseEntlüftungssystem nicht signifikant erhöht werden, zum anderen sollten aus wirtschaftlichen Aspekten die Größe und das Gewicht möglichst klein gehalten werden. Durch die oben angeführte Festlegung des zulässigen Wertebereiches für die bezogene Strömungsgeschwindigkeit des Blow-by-Gases innerhalb des Kammervolumens in dem die ungeordnete Gitterstruktur eingesetzt ist, kann eine sichere Funktion bei minimalem Bauaufwand erreicht werden.

Claims (10)

1. Ansprüche

   1. Verbrennungsmotor, umfassend ein Kurbelgehäuse (1), einen Ansaugtrakt (15), eine Blow-by-Gas-Leitung (5, 7) mit einer Blow-by-Filtereinheit (6) und einer Flammensperre (9), wobei die Blow-by-Gas-Leitung (7) zum Ansaugtrakt (15) führt, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsmündung (8) der Blow-by-Gas-Leitung (7) innerhalb des Ansaugtrakts (15) ist und dass im Bereich der Eintrittsmündung (8) eine Flammensperre (9) angeordnet ist.
2. 2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flammensperre (9) an der Eintrittsmündung (8) des Blow-by-Gases direkt an der Ansaugleitung (10) des Ansaugtrakts (15) angeordnet ist und mit der Ansaugleitung (10) fest verbunden ist.
3. 3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flammensperre (9) im Wesentlichen mit der Seitenwand der Ansaugleitung (10) bündig abschließt.
4. 4. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flammensperre (9) Strukturelemente (12), vorzugsweise eine Gitterstruktur, ein Maschengeflecht, ein Maschennetzwerk, einen offenporigen Schaumkörper eine Kombination daraus, umfasst.
5. 5. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Materialbelegung des Gehäusevolumens der Flammensperre (9) mit Strukturelementen (12) zwischen 1 und 10 Vol.% des Gehäusevolumens beträgt.
6. 6. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flammensperre (9) Strukturelemente (12) mit einer gekrümmten Oberflächen-Topografie aufweist, wobei die über alle Strukturelemente (9) gemittelte Oberflächenkrümmung einen Krümmungsradius zwischen 1 und 3 mm aufweist.

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7. 7. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (9) eine mittlere Wandstärke zwischen 0,05 und 0,35 mm aufweisen.
8. 8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Querschnitt des freien Gehäusevolumens, quer zur Strömungsrichtung bezogene Strömungsgeschwindigkeit des Blow-by-Gases bei der Volllast-Leistung des Motors innerhalb eines Wertebereiches zwischen 0,1 und 0,7 m/s angesiedelt ist.
9. 9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente aus einem Material bestehen, das eine spezifische Wärmekapazität von größer als 0,2 kJ/(kg°K) aufweist.
10. 10. Kurbelgehäuseentlüftung, umfassen eine Blow-by-Gas-Leitung (5, 7) mit einer Blowby-Filtereinheit (6) und einer Flammensperre (9), wobei die Blow-by-Gas-Leitung (5, 6) mit dem Ansaugtrakt (15) eines Verbrennungsmotors verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsmündung (8) der Blow-by-Gas-Leitung (5) in den Ansaugtrakt (15) im Bereich der Eintrittsmündung (8) eine Flammensperre (9) aufweist.