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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ent- und Belüftungseinrichtung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine,
insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zum Abführen von Blowbygas aus einem Kurbelgehäuse der
Brennkraftmaschine.
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Bei
Brennkraftmaschinen, die als Kolbenmotor ausgestaltet sind, treten
im Betrieb sogenannte Blowbygase aus Brennräumen der Brennkraftmaschine
in ein Kurbelgehäuse
der Brennkraftmaschine ein. Die Menge der anfallenden Blowbygase
hängt vom
Betriebszustand der Brennkraftmaschine, z.B. Lehrlauf oder Volllast,
ab. Um einen unzulässig
hohen Überdruck
im Kurbelgehäuse
zu vermeiden, müssen
die Blowbygase aus dem Kurbelgehäuse
abgeführt
werden. Dabei ist eine Emission der Blowbygase in die Umgebung aus
Umweltschutzgründen unerwünscht.
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Dementsprechend
umfasst eine Entlüftungseinrichtung üblicherweise
eine Leitung, die einenends an das Kurbelgehäuse angeschlossen ist und die
anderenends an eine Frischgasleitung der Brennkraftmaschine angeschlossen
ist. Die Blowbyga se werden so erneut der Brennkraftmaschine zur
Verbrennung zugeführt.
Um die Emission von Blowbygasen in die Umgebung ausschließen zu können, ist
es zweckmäßig, die
Blowbygase aus dem Kurbelgehäuse
abzusaugen, derart, dass sich dabei im Kurbelgehäuse ein Unterdruck einstellt.
Ein derartiger Unterdruck steht in der Frischluftleitung zumindest
bei Saugmotoren, insbesondere nach einer Drosselklappe, regelmäßig zur
Verfügung.
Allerdings können
bei bestimmten Betriebszuständen
in der Frischgasleitung Unterdrücke
entstehen, die so groß sind,
dass sie zu einer Zerstörung
des Kurbelgehäuses
führen können. Mit
Hilfe von Unterdruckregelventilen wird dabei versucht, den Unterdruck
im Kurbelgehäuse auf
einen vorbestimmten Wert einzustellen.
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Bei
aufgeladenen Brennkraftmaschinen entstehen zusätzliche Probleme dadurch, dass
eine Einleitung der Blowbygase stromauf der jeweiligen Ladeeinrichtung
an sich unerwünscht
ist, um eine Verschmutzung derselben zu vermeiden. Auf der Druckseite
der Ladeeinrichtung steht jedoch nur dann ein hinreichender Unterdruck
zur Verfügung,
wenn die Brennkraftmaschine im Leerlaufbetrieb oder in einem unteren
Teillastbetrieb arbeitet.
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Eine
Entlüftungseinrichtung
umfasst vorzugsweise eine erste Leitung, die einenends an das Kurbelgehäuse und
anderenends stromab der Ladeeinrichtung an die Frischgasleitung
angeschlossen ist. Die erste Leitung enthält ein Entlüftungsventil, in der Regel
ein Unterdruckregelventil, das so ausgestaltet ist, dass es ab einem
vorbestimmten Grenzwert eines daran anliegenden Differenzdrucks
einen zur Frischgasleitung führenden
Volumenstrom auf einen vorbestimmten Zielwert begrenzt. Eine Ent-
und Belüftungseinrichtung
kann üblicherweise
zusätzlich noch
eine zweite Leitung aufweisen, die einenends stromauf der Ladeeinrichtung
an die Frischgasleitung und anderenends ebenfalls an das Kurbelgehäuse angeschlossen
ist. Diese zweite Leitung enthält
eine Drosseleinrichtung, die so ausgestaltet ist, dass sie bei einem
vorbestimmten Wert eines daran anliegenden Differenzdrucks einen
zum Kurbelgehäuse
führenden
Volumenstrom auf einen vorbestimmten Zielwert einstellt.
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Im
Leerlaufbetrieb der Brennkraftmaschine herrscht an der Anschlussstelle
zwischen erster Leitung und Frischgasleitung, insbesondere wenn
sich diese stromab einer Drosselklappe befindet, ein relativ starker
Unterdruck, wodurch relativ viel Blowbygas aus dem Kurbelgehäuse abgeführt werden
kann. Allerdings entsteht im Leerlaufbetrieb nur vergleichsweise
wenig Blowbygas. Die zweite Leitung ermöglicht für diesen Betriebsfall eine
Belüftung
des Kurbelgehäuses,
indem sie stromauf der Ladeeinrichtung angesaugte Frischluft dem
Kurbelgehäuse
zuführt, um
einen unzulässig
großen
Unterdruck im Kurbelgehäuse
zu vermeiden.
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Mit
zunehmender Teillast sinkt der Unterdruck an der Anschlussstelle
der ersten Leitung ab, während
gleichzeitig die abzuführende
Blowbygasmenge im Kurbelgehäuse
zunimmt. Dementsprechend nimmt die über die zweite Leitung zugeführte Frischluftmenge
ab. Ab einer bestimmten Teillast reicht der an der Anschlussstelle
der ersten Leitung herrschende Unterdruck nicht mehr aus, im Kurbelgehäuse den
gewünschten
Unterdruck einzustellen. Dabei wird der Unterdruck an der Anschlussstelle
der ersten Leitung kleiner als der Unterdruck an der Anschlussstelle
der zweiten Leitung. In der Folge kehrt sich die Strömungsrichtung
in der zweiten Leitung um, so dass diese nun für die Entlüftung des Kurbelgehäuses sorgt.
Die erste Leitung kann zweckmäßig mit
einer Rückschlagsperreinrichtung
ausgestattet sein, wodurch die erste Leitung in Richtung zum Kurbelgehäuse selbsttätig gesperrt
wird, wenn der Druck in der Frischgasleitung an der Anschlussstelle
der ersten Leitung weiter ansteigt.
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Bei
weiter zunehmender Teillast oder bei Volllast herrscht stromab der
Ladeeinrichtung Überdruck
in der Frischgasleitung. Die erste Leitung ist dann gesperrt und
die Abführung
der Blowbygase erfolgt ausschließlich über die zweite Leitung.
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In
bestimmten Betriebszuständen
der Brennkraftmaschine, insbesondere bei Volllast, ist der stromauf
der Ladeeinrichtung in der Frischgasleitung zur Verfügung stehende
Unterdruck vergleichsweise klein, so dass eine hinreichende Absaugung
der Blowbygase nicht immer gewährleistet
ist. Insbesondere dann, wenn die Anschlussstelle der zweiten Leitung,
z.B. aus Bauraumgründen,
vergleichsweise nahe am Einlass der Ladeeinrichtung positioniert werden
muss, verschärft
sich die Problematik.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
eine Entlüftungseinrichtung
der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich
insbesondere dadurch auszeichnet, dass sie auch mit einem vergleichsweise
kleinen Unterdruck eine hinreichende Entlüftung ermöglicht, wodurch sie vergleichsweise flexible
Anschlussmöglichkeiten
auf der Seite der Frischgasleitung bietet.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in der zweiten Leitung
parallel zur Drosseleinrichtung ein Rückschlagsperrventil anzuordnen,
dass zum Kurbelgehäuse
hin sperrt. Hierdurch wird erreicht, das beim Entlüften des
Kurbelgehäuses
durch die zweite Leitung die Blowbygase nicht durch die Drosseleinrichtung
strömen
müssen,
sondern durch das in dieser Richtung öffnende Rückschlagsperrventil strömen können. Der
Strömungswiderstand
kann dadurch in dieser Strömungsrichtung reduziert
werden, wodurch bereits relativ kleine Unterdrücke ausreichen, hinreichend
Blowbygas absaugen zu können.
In der Folge kann die zweite Leitung auch an solchen Stellen der
Frischgasleitung angeschlossen werden, an denen nur ein vergleichsweise kleiner
Unterdruck zur Verfügung
gestellt werden kann, was die Montageflexibilität der Ent- und Belüftungseinrichtung
verbessert.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 bis 3 jeweils
eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer
Entlüftungseinrichtung
bei unterschiedlichen Betriebszuständen.
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Entsprechend
den 1 bis 3 umfasst eine Brennkraftmaschine 1 einen
Motorblock 2 mit Kurbelgehäuse 3, Zylinderkopf 4,
Zylinderkopfhaube 5 und Ölwanne 6. Eine Frischgasleitung 7 führt Frischgas
aus einer Umgebung 8 dem Motorblock 2 zu, während eine
Abgasleitung 9 Abgas der Brennkraftmaschine 1 vom
Motorblock 2 abführt
und in die Umgebung 8 emittiert.
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Die
Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug
angeordnet. Die Brennkraftmaschine 1 ist aufgeladen und
weist dementsprechend eine Ladeeinrichtung 10 auf, die
im vorliegenden Fall beispielhaft als Abgasturbolader ausgestaltet
ist. Dementsprechend umfasst die Ladeeinrichtung 10 einen
Verdichter 11, der in der Frischgasleitung 7 angeordnet
ist, sowie eine Turbine 12, die in der Abgasleitung 9 angeordnet
ist. Es ist klar, dass die Brennkraftmaschine 1 auch mit
einer anderen Ladeeinrichtung 10 ausgestattet sein kann,
wie z.B. ein mechanischer Lader, insbesondere ein Bootsgebläse.
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Die
Frischgasleitung 7 enthält
eingangsseitig ein Luftfilter 13 sowie stromab davon eine
Luftmengen- oder Luftmassen-Messseinrichtung 14,
die beispielsweise als Heißfilmmesser
ausgestaltet ist. Stromab der Ladeeinrichtung 10 enthält die Frischgasleitung 7 einen
Ladeluftkühler 15 sowie
stromab davon eine Drosselklappe 16.
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Desweiteren
ist die Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasrückführeinrichtung 17 ausgestattet, die
hier vereinfacht wiedergegeben und lediglich durch einen Abgasrückführkühler 18 repräsentiert
ist.
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Außerdem ist
die Brennkraftmaschine 1 mit einer Ent- und Belüftungseinrichtung 19 ausgestattet, mit
deren Hilfe im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 Blowbygas
aus dem Kurbelgehäuse 3 abgeführt werden
kann. Derartiges Blowbygas tritt im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 aufgrund
von Leckagen aus nicht näher
bezeichneten Zylinderräumen
des Motorblocks 2 in das Kurbelgehäuse 3 ein.
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Die
Ent- und Belüftungseinrichtung 19 umfasst
eine erste Leitung 20 sowie eine zweite Leitung 21.
Die erste Leitung 20 ist einenends an das Kurbelgehäuse 3 und
anderenends an die Frischgasleitung 7 über eine erste Anschlussstelle 22 angeschlossen. Die
erste Anschlussstelle 22 befindet sich dabei stromab der
Ladeeinrichtung 10 und insbesondere stromab der Drosselklappe 16.
Gleichzeitig ist die erste Anschlussstelle 22 innerhalb
der Frischgasleitung 7 stromauf einer nicht näher bezeichneten
Einleitstelle der Abgasrückführeinrichtung 17 positioniert.
Die erste Leitung 20 enthält ein Entlüftungsventil 23, das
quasi als Unterdruckregelventil ausgestaltet sein kann. Das Entlüftungsventil 23 ist
so ausgebildet, dass es ab einem vorbestimmten Grenzwert eines daran
anliegenden Differenzdrucks einen zur Frischgasleitung 7 führenden
Volumenstrom auf einen vorbestimmten Zielwert begrenzt.
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Bei
den hier gezeigten Beispielen ist in der ersten Leitung 20 außerdem eine
Rückschlagsperreinrichtung 24 angeordnet,
die in Richtung zum Kurbelgehäuse 3 sperrt
und in Reihe zum Entlüftungsventil 23 wirksam
ist. Vorzugsweise ist die Rückschlagsperreinrichtung 24 in
das Entlüftungsventil 23 integriert,
wodurch eine einheitliche Baugruppe 25 entsteht, die durch
ein Entlüftungsventil
mit integrierter Rückschlagsperrfunktion
gebildet ist.
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Die
zweite Leitung 21 ist einenends bei einer zweiten Anschlussstelle 26,
die sich stromauf der Ladeeinrichtung 10 befindet, an die
Frischgasleitung 7 angeschlossen, während sie anderenends ebenfalls und
vorzugsweise unabhängig
von der ersten Leitung 20, insbesondere direkt, an das
Kurbelgehäuse 3 angeschlossen
ist.
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Die
zweite Leitung 21 enthält
eine Drosseleinrichtung 28, die so ausgebildet ist, dass
sie für
einen vorbestimmten Wert eines daran anliegenden Differenzdrucks
einen zur ersten Leitung 20 führenden Volumenstrom auf einen
vorbestimmten Zielwert einstellt. Außerdem ist die zweite Leitung 21 mit
einem Rückschlagsperrventil 29 ausgestattet,
das in Richtung zur erste Leitung 20 sperrt. Dabei sind Rückschlagsperrventil 29 und
Drosseleinrichtung 28 parallel durchströmbar angeordnet, wodurch die Drosseleinrichtung 28 einen
das Rückschlagsperrventil 29 umgehenden
Bypass bildet, der im folgenden ebenfalls mit 28 bezeichnet
ist. Vorzugsweise können
das Rückschlagsperrventil 29 und
die Drosseleinrichtung 28 ebenfalls ein integrales Bauteil 30 bilden.
Dieses Bauteil 30 ist insbesondere durch das Rückschlagsperrventil 29 mit
integriertem Bypass 28 gebildet.
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Die
erste Leitung 20 enthält
eine erste Abscheideeinrichtung 31, die dazu ausgebildet
ist, im Betrieb der Brennkraftmaschine 1 Öl und/oder Ölnebel aus
dem aus dem Kurbelgehäuse 3 abgesaugten Blowbygas
zu entfernen. Das abgeschiedene Öl kann über eine
erste Rücklaufleitung 32 von
der ersten Abscheideeinrichtung 31 in das Kurbelgehäuse 3,
vorzugsweise in die Ölwanne 6,
rückgeführt werden.
Bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform enthält auch
die zweite Leitung 21 eine eigene zweite Abscheideeinrichtung 27 mit
zugehöriger
zweiter Ölrücklaufleitung 36.
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Die
erfindungsgemäße Entlüftungseinrichtung 19 arbeitet
wie folgt:
In einem in 1 wiedergegebenen
ersten Betriebszustand arbeitet die Brennkraftmaschine 1 in
einem Leerlaufbetrieb, also in einem Betriebszustand mit minimaler
Last. In diesem Betriebszustand tritt vergleichsweise wenig Blowbygas
in das Kurbelgehäuse 3 ein.
Gleichzeitig ist die Ladeeinrichtung 10 im wesentlichen
inaktiv; zumindest bewirkt die Drosselklappe 16 eine starke
Drosselung, wodurch stromab der Drosselklappe 16 in der
Frischgasleitung 7 ein vergleichsweise großer Unterdruck
herrscht. Dieser Unterdruck ist so groß, dass er oberhalb des Grenzwerts
des Entlüftungsventils 23 und
oberhalb des vorbestimmten Werts der Drosseleinrichtung 28 liegt. Dementsprechend
lässt das
Entlüftungsventil 23 den vorbestimmten
Volumenstrom durch. Die erste Leitung 20 bewirkt dabei
eine Entlüftung
des Kurbelgehäuses 3.
Dabei kann in diesem Betriebszustand über die erste Leitung 20 mehr
Gas abgeführt
werden als neues Blowbygas nachströmt.
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Gleichzeitig
ist ein sich an der zweiten Anschlussstelle 26 in der Frischgasleitung 7 einstellender
Unterdruck kleiner als der an der ersten Anschlussstelle 22 herrschende
Unterdruck. Die Entlüftung
durch die erste Leitung 20 senkt im Kurbelgehäuse 3 den
Druck soweit ab, bis zum Druckausgleich Frischgas über die
zweite Leitung 21 nachströmen kann. In der Folge lässt auch
die Drosseleinrichtung 28 einen Volumenstrom durch, der
jedoch kleiner ist als der vorbestimmte Volumenstrom des Entlüftungsventils 23.
Die zweite Leitung 21 bewirkt dabei eine Belüftung des
Kurbelgehäuses 3 mit
Frischgas aus der Frischgasleitung 7.
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Das
Entlüftungsventil 23 und
die Drosseleinrichtung 28 sind dabei gezielt so aufeinander
abgestimmt, dass in diesem Betriebsfall mit minimaler aus dem Kurbelgehäuse 3 abzuführender
Blowbygasmenge in das Kurbelgehäuse 3 gerade
soviel Frischgas über
die zweite Leitung 21 nachströmt, dass sich im Kurbelgehäuse 3 ein
vorbestimmter Unterdruck einstellen kann. Insbesondere soll der
Unterdruck im Kurbelgehäuse 3 in
diesem Betriebszustand nicht beliebig weit absinken. Dementsprechend
wird in diesem Betriebszustand der über die erste Leitung 20 vom
Kurbelgehäuse 3 abgesaugte
und in die Frischgasleitung 7 abgeführte Volumenstrom zu einem
Teil durch die abzuführende
Blowbygasmenge und im übrigen
durch eine entsprechende Frischgasmenge gebildet, die über die
zweite Leitung 21 dem Kurbelgehäuse 3 zugeführt wird.
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Mit
zunehmender Last der Brennkraftmaschine 1 nimmt auch die
Menge der im Kurbelgehäuse 3 anfallenden
Blowbygase zu, so dass entsprechend mehr Blowbygas abgeführt werden
muss. Aufgrund der Drosselwirkung der Drosseleinrichtung 28 nimmt
dabei gleichzeitig der Volumenstrom des dem Kurbelgehäuse 3 zugeführten Frischgases
in entsprechender Weise ab.
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Die
Blowbygasströmung
ist in 1 durch Pfeile 33 symbolisiert. Die Frischgasströmung ist
in 1 durch Pfeile 34 symbolisiert und die
sich aus Blowbygas und Frischgas zusammensetzende Gemischströmung ist
in 1 durch Pfeile 35 symbolisiert.
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2 zeigt
einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 bei Teillast,
bei dem an der ersten Anschlussstelle 22 in der Frischgasleitung 7 nur
noch ein vergleichsweise kleiner Unterdruck vorliegt, der gerade
noch so groß ist,
dass die gesamte anfallende Blowbygasmenge noch über die erste Leitung 20 aus
dem Kurbelgehäuse 3 abgeführt und
in die Frischgasleitung 7 eingeleitet werden kann. Hierzu
eignet sich in besondere Weise ein Entlüftungsventil 23, das
sich durch eine Kennlinie charakterisiert, bei der mit zunehmender
Druckdifferenz der das Entlüftungsventil 23 durchströmende Volumenstrom
zunächst
(linear) zunimmt, dann bei einem mittleren Differenzdruck ein Maximum
für den
Volumenstrom aufweist und bei weiter zunehmender Druckdifferenz
bis zum vorbestimmten, bei weiter zunehmender Druckdifferenz konstant
bleibenden Zielwert (linear) abfällt.
Zweckmäßig liegt
besagtes Maximum im Bereich einer Druckdifferenz, die bei dem in 2 wiedergegebenen
Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 am Entlüftungsventil 23 anliegt.
In diesem Betriebszustand ist die über die zweite Leitung 21 dem
Blowbygas zugemischte Frischgasmenge sehr klein und kann sogar auf
den Wert Null zurückgehen.
Zur Verdeutlichung sind die Strömungspfeile
für die
Frischgasströmung 34 mit
unterbrochenen Linien dargestellt.
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Da
die Frischgasströmung 34 in
diesem Betriebszustand quasi vernachlässigbar ist, liegt in der ersten
Leitung 20 hier quasi nur noch die Blowbygasströmung 33 vor.
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Bei
weiter zunehmender Last, insbesondere bei Volllast, stellt sich
der in 3 gezeigte Zustand ein. Zum einen wird der sich
an der ersten Anschlussstelle 22 einstellende Unterdruck
zu klein, um die anfallende Blowbygasmenge absaugen zu können. Zum
anderen kann sich an der ersten Anschlussstelle 22, insbesondere
durch die Zuschaltung oder Aktivierung der Ladeeinrichtung 10 in
Verbindung mit einer entsprechenden Drosselklappenstellung, ein Überdruck
aufbauen, der es unmöglich
macht, Blowbygas über
die erste Anschlussstelle 22 in die Frischgasleitung 7 einzuleiten.
Die Rückschlagsperreinrichtung 24 sperrt
bei Überdruck
an der ersten Anschlussstelle 22.
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Mit
zunehmendem Druck an der Druckseite der Ladeeinrichtung 10 nimmt
der Druck an der Saugseite der Ladeeinrichtung 10 ab. In
der Folge entsteht an der zweiten Anschlussstelle 26 ein
Unterdruck, der ausreicht, die im Kurbelgehäuse 3 anfallenden
Blowbygase nur durch die zweite Leitung 21 abzusaugen.
Die zweite Leitung 21 bewirkt in diesem Fall die gewünschte Entlüftung des
Kurbelgehäuses 3.
Dies ist grundsätzlich über die
Drosseleinrichtung 28 möglich,
was hier durch unterbrochen dargestellte Strömungspfeile angedeutet ist.
Jedoch öffnet
in dieser Strömungsrichtung
das Rückschlagsperrventil 29,
so dass die Blowbygasströmung 33,
zumindest deren Hauptteil, durch das Rückschlagsperrventil 29 strömt.
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Vorzugsweise
ist das Rückschlagsperrventil 29 so
ausgelegt, dass sein Öffnungswiderstand
und sein Durchströmungswiderstand
kleiner sind als der Durchströmungswiderstand
des Bypasses bzw. der Drosseleinrichtung 28. Insbesondere
sind der Öffnungswiderstand
und der Durchströmungswiderstand
des Rückschlagsperrventils 29 so
ausgewählt, dass
der an der zweiten Anschlussstelle 26 herrschende Unterdruck
ausreicht, die in diesem Betriebszustand oder Zustandsbereich anfallende Blowbygasmenge
aus dem Kurbelgehäuse 3 abzusaugen.
Hierdurch kann im Kurbelgehäuse 3 ein
vorbestimmter Unterdruck eingestellt werden. Die zweite Leitung 21 ist
in der Öffnungsrichtung
des Rückschlagsperrventils 29 aufgrund
der sehr kleinen Widerstände
für Öffnung und
Durchströmung
des Rückschlagsperrventils 29 quasi
entdrosselt, so dass schon mit vergleichsweise kleinen Unterdrücken eine hinreichende
Entlüftung
erzielbar ist, wodurch es insbesondere möglich ist, die zweite Anschlussstelle 26 relativ
nahe an einem Einlass der Ladeeinrichtung 10 zu positionieren.