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Die
Erfindung betrifft eine Zylinderkopfhaube für einen Verbrennungsmotor mit
einem Ölabscheider
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Bekannte
Zyklonabscheider, siehe
DE 10 2004 033 677 A1 ,
DE 203 00 596 U1 ,
DE 10 2004 002 310
A1 ,
DE
10 2004 019 154 A1 ,
EP 1 614 871 A2 ,
DE 10 2004 006 082 A1 ,
JP 2005 155 423 A ,
umfassen eine zylindrische Wirbelkammer mit einem tangentialen Gaseinlass.
Der schraubenförmige Gaswirbel
läuft an
einer Kegelwand aus und wird mittels eines im Bereich des Gaseinlasses
vorgesehenen Tauchrohrs in der Gegenrichtung durch das Innere des
Gaswirbels abgezogen, wodurch es zu einer Strömungsumkehr des Gases kommt.
Abgeschiedene Partikel treten durch eine Öffnung beispielsweise in der
Spitze der Kegelwand aus. Die Fertigung von Zyklonabscheidern mit
geschlossener Kammer erfordert sehr aufwendige Spritzwerkzeuge und
ist äußerst schwierig,
weshalb mit der
DE
10 2004 019 154 A1 vorgeschlagen wurde, derartige Zyklone
aus zwei mit einfachen Werkzeugen zu fertigenden Teilen aufzubauen.
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DE 10 2004 016 742
B3 offenbart einen Ölabscheider
mit einem einlassseitigen Federzungenventil und einem nachgeschalteten
Diffusor. Ölteilchen
werden trägheitsbedingt
aufgrund der scharfen Umlenkung des Gases an der die Spitze der
Federzunge umgebenden Wandung abgeschieden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zylinderkopfhaube
mit einem Ölabscheider
bereitzustellen, der einen einfachen Aufbau und signifikant verringerten
Herstellungsaufwand aufweist.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Mitteln von Anspruch 1. Durch die Anordnung
der Gasauslassöffnung
im Bereich des auslaufseitigen Endes der Gaswirbelströmung wird
das im Stand der Technik vorgesehene Tauchrohr entbehrlich, was
zu einem vereinfachten Aufbau führt.
Weiterhin kann bei der Herstellung des insbesondere aus einem Kunststoff
gefertigten Ölabscheiders
ein Spritzwerkzeug durch die Gasauslassöffnung in die Wirbelkammer eingreifen,
was den Aufwand für
das Werkzeug wesentlich reduziert. Es hat sich gezeigt, dass die
Anordnung der Gasauslassöffnung
am auslaufseitigen Ende der Wirbelkammer nicht zu einem die Funktion des
Abscheiders beeinträchtigenden
Mitnehmen bzw. Wiederaufnehmen von abgeschiedenen Öltröpfchen durch
die Gasströmung
führt.
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In
der rohrförmigen
Wirbelkammer wird bedingt durch den tangentialen Gaseinlass ein
rotierender, schraubenförmiger
Gaswirbel induziert, der sich von dem Gaseinlass bis zu dem auslaufseitigen
Ende erstreckt. Zu diesem Zweck ist die Wirbelkammer zweckmäßigerweise
im Wesentlichen zylindrisch geformt, wobei dieser Begriff eine im
Querschnitt abgerundete, beispielsweise ovale oder runde Form bedeutet
und einen sich über
die Länge
der Wirbelkammer ändernden
Querschnitt umfasst. Der schraubenförmige Gaswirbel wird ohne schrauben-
bzw. wendelförmige
Einrichtungen wie beispielsweise Wendelflächen oder Wendelkanälen erzeugt.
Anders ausgedrückt
ist die Wirbelkammer frei von schrauben- bzw. wendelförmigen Leiteinrichtungen.
Dadurch ist die Erfindung gegenüber
wendelförmigen Ölabscheidern
abgegrenzt.
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Vorzugsweise
ist der Gaseinlass offen, das heißt ventilfrei ausgebildet.
Hierdurch ist die Erfindung beispielsweise gegenüber Ölabscheidern mit einem Federzungenventil
am Gaseinlass abgrenzbar. Der offene Gaseinlass erlaubt eine effektive
Abscheidungswirkung auch bei niedrigen Durchflussraten, bei denen
ein Federzungenventil noch nicht öffnen würde. Aus demselben Grund ist
es weiterhin vorteilhaft, wenn der gesamte Ölabscheider einschließlich Gaseinlass
und Gasaustritt ventilfrei ausgebildet ist.
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Um
einem Mitnehmen bzw. Wiederaufnehmen von abgeschiedenen Öltröpfchen durch
die Gasströmung
entgegenzuwirken, erweitert sich vorzugsweise die Wirbelkammer zu
dem auslaufseitigen Ende hin in der Art eines Diffusors, wodurch
sich in diesem Bereich die Gasgeschwindigkeit verringert und sich
der Gaswirbel von der Kammerwandung löst, so dass die ablaufende
Flüssigkeit
den Gaskontakt verliert und nicht wieder durch den Gasstrom mitgerissen
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Wirbelkammer zwei symmetrisch zu dem Gaseinlass angeordnete
Teilkammern zur Ausbildung zweier gegenläufig rotierender Gaswirbel
auf. Im Vergleich zu einem Abscheider mit nur einem Gaswirbel kann
bei verhältnismäßig geringfügig größerem Bauraum
die Durchflussmenge des Abscheiders wesentlich gesteigert werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand vorteilhafter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen erläutert.
Es zeigt:
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1:
einen Schnitt durch einen Ölabscheider;
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2a:
einen Querschnitt durch einen Ölabscheider
im Bereich des Gaseinlasses;
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2b:
einen Querschnitt durch einen Ölabscheider
im Bereich des Diffusors;
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3:
einen Querschnitt durch einen Ölabscheider
im Bereich des Gaseinlasses in einer weiteren Ausführungsform;
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4-7:
Längsschnitte
durch einen Ölabscheider
in weiteren Ausführungsformen;
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8a, 8b:
Querschnitte durch einen Ölabscheider
im Bereich des Gaseinlasses bzw. des Diffusors in einer weiteren
Ausführungsform;
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9:
einen Querschnitte durch einen Ölabscheider
im Bereich des Gaseinlasses in einer weiteren Ausführungsform;
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10:
einen Schnitt durch einen Ölabscheider
in einer weiteren Ausführungsform;
und
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11:
einen Schnitt durch einen Verbrennungsmotor.
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Der
in 11 gezeigte Verbrennungsmotor umfasst die Zylinderkopfhaube 10,
den Zylinderkopf 35, das Kurbelgehäuse 36 und die Ölwanne 37.
Die Zylinderkopfhaube 10 umfasst einen Gaseintrittsbereich 38 für ölbeladenes
Blow-by-Gas 17, einen von dem eingeleiteten Blow-by-Gas 17 durchströmten Ölabscheider 11 mit
einer Wirbelkammer 13, einen daran anschließenden Reinraum 26 mit Ölablauf 24,
ein Druckregelventil 34 und einen Gasaustrittsbereich 40.
Das Blow-by-Gas wird über
nicht gezeigte, beispielsweise in dem Motorgehäuse vorgesehene Kanäle von dem Kurbelwellengehäuse 36 in
die Zylinderkopfhaube 10 geleitet. Der Ölabscheider 11 weist eine
Einlassöffnung 12 auf,
durch die das ölbeladene Blow-by-Gas 17 in
eine rohrförmige
Kammer 13 tangential eintritt.
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Wie
in 1 dargestellt wird die Kammer 13 von
einer rohrförmigen
Umfangs- bzw. Mantelwand 14 gebildet. In der Mantelwand 14 ist
eine Gaseinlassöffnung 12 vorgesehen.
Um die Gaseinlassöffnung 12 ist
ein rohrförmiger
Gaseinlass 18 vorgesehen, der zu der Wirbelkammer 13 tangential
angeordnet ist. Der rohrförmige
Gaseinlass 18 erzeugt eine tangential gerichtete Strömung des
durch die Gaseinlassöffnung 12 in
die Kammer 13 eintretenden Blow-by-Gases. Die durch die
Gaseinlassöffnung 12 eintretende
Gasströmung
wird an der Kammerwand 14 entlang geführt. Aufgrund der Strömungskomponente
in der Längsrichtung 21 entsteht
in der Kammer 13 ein schraubenförmig um die Längsachse
rotierender Gaswirbel 20, ohne dass zusätzliche Leiteinrichtungen wie
beispielsweise Leitbleche oder dergleichen erforderlich sind. Schraubenförmig bedeutet,
dass der Gaswirbel in einem mittleren Lastbereich des Motors mindestens
eine vollständige
Umdrehung, vorzugsweise mindestens zwei vollständige Umdrehungen ausbildet.
Der rotierende Gaswirbel 20 breitet sich insgesamt in einer
Längsrichtung 21 der
rohrförmigen
Kammer 13 aus. Die Längsrichtung 21 verläuft entlang
der Mittelachse der Kammer 13 und kann daher abschnittsweise
zusammengesetzt sein, wie beispielsweise aus 1 ersichtlich
ist.
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Die
in dem Gaswirbel 20 auf die Ölpartikel wirkenden Fliehkräfte bewirken
eine Abscheidung der Ölpartikel
durch Kontakt mit der Umfangswand 14 und Koaleszenz der
sich im äußeren Bereich
der Kammer 13 anreichernden Ölpartikel zu Öltröpfchen. Das
abgeschiedene Öl
läuft entlang
der Umfangswand 14 der Kam mer 13 ab und wird mittels
eines Rücklaufs 24 in
den Motorölkreislauf
zurückgeführt. Um
die Schwerkraftableitung des Öls
ohne Toträume sicherzustellen,
weist der Boden der Kammer 13 in der Betriebslage vorzugsweise
ein stetiges Gefälle bis
zu der Ölableitung 24 auf.
Durch eine beispielsweise in 11 dargestellte
Rücklaufsperre 41 wird der
Eintritt von Blow-by-Gas
in den Reinraum 26 durch die Ölablaufleitung 24 in
umgekehrter Richtung verhindert.
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Die
Charakteristik des Wirkungsgrades bzw. des Druckverlustes des Wirbelkammerabscheiders 11 in
Abhängigkeit
vom Volumenstrom entspricht etwa der Charakteristik eines Zyklons
mit Tauchrohr.
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Nach
dem Durchlaufen der Kammer 13 läuft der schraubenförmige Gaswirbel 20 an
dem auslassseitigen Ende 22 der Kammer 13 aus,
d. h. er geht in eine nicht-rotierende Strömung über, und tritt aus der Kammer 13 durch
die an dem auslassseitigen Ende 22 der Kammer 13 angeordnete
Gasaustrittsöffnung 25 aus.
Das gereinigte Blow-by-Gas 23 wird dann durch einen Reinraum 26 beispielsweise
zu dem Druckregelventil 34 geleitet (siehe 11).
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Aufgrund
des Austretens der Gasströmung aus
der Wirbelkammer 13 an dem auslassseitigen Ende 22 ergibt
sich eine offene Bauweise der Kammer 13. Insbesondere kann
ein in der Herstellung des Ölabscheiders 11 verwendetes
Spritzwerkzeug durch die Gasauslassöffnung 25 in die Kammer 13 eingreifen.
Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wenn, wie in den Beispielen
der 1, 4 bis 7 und 10,
der Querschnitt der Kammer 13 zwischen dem einlassnahen
Ende 19 und dem auslassseitigen Ende 22 keine
Verjüngung
aufweist, sowie dass die Fläche
des Gasauslassöff nung 25 vorzugsweise
größer oder
gleich der maximalen Querschnittsfläche der Kammer 13 ist.
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Die
offene Bauweise der Wirbelkammer 13 ermöglicht es, dass das abgeschiedene Öl 27 durch die
einen großen
Querschnitt aufweisende Gasaustrittsöffnung 25 aus der
Wirbelkammer 13 abfließt (siehe
Ausführungsbeispiele
gemäß den 1, 4 bis 6 und 10).
Dadurch kann die im Stand vorhandene Ölableitung mit geringem Querschnitt,
die ein ungünstiges
Einfrierverhalten zeigt, vermieden werden. Anders ausgedrückt mündet die Ölableitung 24 vorzugsweise
in den Reinraum 26 und nicht, wie im Stand der Technik,
in die Wirbelkammer 13.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, findet an dem auslassseitigen
Ende 22 der Wirbelkammer 13, im markanten Unterschied
zu einem herkömmlichen
Zyklon mit Tauchrohr, keine Strömungsumkehr
des Gases in die Gegenrichtung statt.
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Die
Kammer 13 umfasst, wie in 1 gezeigt,
insbesondere in ihrem einlassseitigen Bereich vorzugsweise einen
im wesentlichen zylindrischen Abschnitt 15 auf, damit sich
zunächst
ein stabiler Gaswirbel 20 ausbilden kann, mit einer bevorzugten axialen
Länge von
mindestens dem 0,5-fachen Durchmesser, weiter vorzugsweise im Bereich
des 0,5- bis 5-fachen, weiter vorzugsweise 1- bis 3-fachen Durchmessers.
Im wesentlichen zylindrisch umfasst dabei eine Konizität von einigen
Grad, d. h. bis zu 10°,
aufgrund einer herstellungsbedingten Auszugsschräge.
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Die
Kammer 13 umfasst, wie in den 1 und 2b gezeigt,
insbesondere mindestens in ihrem auslaßseitigen Bereich, vorzugsweise
einen sich in der Längsrichtung 21 erweiternden
Abschnitt 16 zur Bildung eines Diffusors, in dem sich die
Rota tionsgeschwindigkeit des Gases verringert und dadurch die Wahrscheinlichkeit
reduziert wird, dass die ablaufende Flüssigkeit durch den auslaufenden
Gaswirbel wieder mitgerissen wird. Gleichzeitig wird der Druckverlust über den
Abscheider 11 verringert. Im Hinblick auf die gewünschte Wirkung
beträgt
die Konizität
des Diffusors 16 vorzugsweise mindestens 10°, weiter
vorzugsweise mindestens 20°,
noch weiter vorzugsweise mindestens 30°.
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Bei
der in den 1, 2b und 8b gezeigten,
im Querschnitt ovalen Formung des Diffusors 16 löst sich
der Gaswirbel 20 zunächst
von der unteren Berandung der Kammer 13, so dass die ablaufende
Flüssigkeit 27 dort
keinen Gaskontakt mehr aufweist und somit nicht wieder durch den
Gasstrom mitgerissen werden kann. Es ist zu diesem Zweck vorteilhaft,
wenn sich die Kammer 13 im unteren Bereich stärker als
im oberen Bereich erweitert, insbesondere indem sich die Kammer 13 lediglich
nach unten, nicht jedoch im oberen Bereich, erweitert, wie dies
beispielsweise in 1 der Fall ist.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
gemäß 2a, 2b weist
die Wirbelkammer 13 zwei vorzugsweise parallel angeordnete,
sich tangential berührende
Teilkammern 13a, 13b mit einem gemeinsam genutzten
Gaseinlass 18 zur Ausbildung zweier gegenläufig rotierender,
parallel angeordneter Gaswirbel 20a, 20b auf;
es handelt sich somit um eine Doppelkammer. Der Gaseinlass 18 ist
vorzugsweise tangential in den Bereich der tangentialen Berührung der
beiden Teilkammern 13a, 13b und weiter vorzugsweise
auf die Mitte eines Stegs 33 gerichtet, der als Strömungsteiler
dient. Die Teilkammern 13a, 13b liegen vorzugsweise
(spiegel-)symmetrisch zu dem Gaseinlass 18. Die Umfangswand 14 der
Kammer 13 ist daher vorzugsweise ω-förmig ausgebildet, wie in 2a gezeigt.
Im Vergleich zu einem Abscheider mit nur einem Gaswirbel kann bei
verhältnismäßig geringfügig größerem Bauraum
die Durchflussmenge des Abscheiders im Wesentlichen verdoppelt werden.
Die Erfindung ist aber nicht auf eine bestimmte Anzahl von Gaswirbeln
beschränkt.
Umfasst sind insbesondere auch Ausführungsformen mit einem Gaswirbel,
wie die in 8a, 8b gezeigte
Kammer 13. Auch Ausführungsformen
mit mehr als zwei parallelen Gaswirbeln sind denkbar.
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Um
den Gaskontakt zu dem ablaufenden Öl 27 möglichst
frühzeitig
zu unterbinden, kann in einer Ausführungsform gemäß den 3 bzw. 9 im unteren
Teil der Kammer 13 bzw. des Diffusors 16 eine
Ablaufnut 28 bzw. im Falle mehrerer Teilkammern 13a, 13b eine
oder mehrere Ablaufnuten 28a, 28b in der Umfangswand 14 vorgesehen
sein, die unterhalb des durch die Umfangswand 14 definierten Umfangs
angeordnet sind.
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Die
in den 4 bis 6 dargestellten Ausführungsformen
verdeutlichen, dass die Formung der Wirbelkammer 13 in
Längsrichtung
vielfältig
variierbar ist. Im Beispiel der 4 schließt sich
an den Diffusor 16 ein sich weniger stark erweiternder
Bereich 29 an. Im Beispiel der 5 erweitert
sich die gesamte Wirbelkammer 13 gleichmäßig. Im
Beispiel der 6 erweitert sich die Wirbelkammer 13 mit
in der Gasauslassrichtung stetig zunehmendem Gefälle.
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Bei
dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist im Boden
der Kammer 13 eine Ölablauföffnung 30 zu
einem Ölablaufkanal 31 vorhanden. Durch
die Trennung von Gaswirbel 20 und ablaufendem Öl 27 mittels
der Trennwand 32 wird ein Wiederaufnehmen von abgeschiedenem Öl 27 durch
den Gaswirbel 20 wirksam unterbunden.
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Die
Ausführungsform
gemäß 10 betrifft eine
vertikal angeordnete Wirbelkammer 13 im Gegensatz zu der – im Hinblick
auf eine reduzierte Bauhöhe
bevorzugte – im
wesentlichen horizontalen Einbaulage in den Beispielen der 1 und 4 bis 7.
Da in der vertikalen Anordnung gemäß 10 anfallende
Emulsion besser abfließen
kann, ist diese im Hinblick auf das Einfrierverhalten bevorzugt.
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Je
nach Anwendung sind auch Abscheider mit geneigter Einbaulage der
Wirbelkammer 13 möglich.