DE102007046235A1 - Zylinderkopfhaube für einen Verbrennungsmotor - Google Patents
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Abstract
Zylinderkopfhaube (10) für einen Verbrennungsmotor, umfassend einen Ölabscheider (11) mit einer sich in einer Längsrichtung (21) erstreckenden Wirbelkammer (13), die eine sich in der Längsrichtung (21) erstreckenden rohrförmigen Mantelwand (14), einen zu der rohrförmigen Mantelwand (14) tangential angeordneten Gaseinlass (18) zum tangentialen Einblasen von Blow-by-Gas in die Wirbelkammer (13), so dass in der Wirbelkammer (13) mindestens eine entlang der Mantelwand (14) in der Längsrichtung (21) schraubenförmig rotierende Gaswirbelströmung (20) erzeugt wird, und eine Gasauslassöffnung (25) aufweist, dadurch gekennzeichent, dass die Gasauslassöffnung (25) im Bereich eines auslaufseitigen Endes (22) der Gaswirbelströmung (20) angeordnet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Zylinderkopfhaube für einen Verbrennungsmotor mit einem Ölabscheider nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
- 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 DE 10 2004 019 154 A1 vorgeschlagen wurde, derartige Zyklone aus zwei mit einfachen Werkzeugen zu fertigenden Teilen aufzubauen. -
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. - Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zylinderkopfhaube mit einem Ölabscheider bereitzustellen, der einen einfachen Aufbau und signifikant verringerten Herstellungsaufwand aufweist.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Die Erfindung wird im Folgenden anhand vorteilhafter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
-
1 : einen Schnitt durch einen Ölabscheider; -
2a : einen Querschnitt durch einen Ölabscheider im Bereich des Gaseinlasses; -
2b : einen Querschnitt durch einen Ölabscheider im Bereich des Diffusors; -
3 : einen Querschnitt durch einen Ölabscheider im Bereich des Gaseinlasses in einer weiteren Ausführungsform; -
4 -7 : Längsschnitte durch einen Ölabscheider in weiteren Ausführungsformen; -
8a ,8b : Querschnitte durch einen Ölabscheider im Bereich des Gaseinlasses bzw. des Diffusors in einer weiteren Ausführungsform; -
9 : einen Querschnitte durch einen Ölabscheider im Bereich des Gaseinlasses in einer weiteren Ausführungsform; -
10 : einen Schnitt durch einen Ölabscheider in einer weiteren Ausführungsform; und -
11 : einen Schnitt durch einen Verbrennungsmotor. - Der in
11 gezeigte Verbrennungsmotor umfasst die Zylinderkopfhaube10 , den Zylinderkopf35 , das Kurbelgehäuse36 und die Ölwanne37 . Die Zylinderkopfhaube10 umfasst einen Gaseintrittsbereich38 für ölbeladenes Blow-by-Gas17 , einen von dem eingeleiteten Blow-by-Gas17 durchströmten Ölabscheider11 mit einer Wirbelkammer13 , einen daran anschließenden Reinraum26 mit Ölablauf24 , ein Druckregelventil34 und einen Gasaustrittsbereich40 . Das Blow-by-Gas wird über nicht gezeigte, beispielsweise in dem Motorgehäuse vorgesehene Kanäle von dem Kurbelwellengehäuse36 in die Zylinderkopfhaube10 geleitet. Der Ölabscheider11 weist eine Einlassöffnung12 auf, durch die das ölbeladene Blow-by-Gas17 in eine rohrförmige Kammer13 tangential eintritt. - Wie in
1 dargestellt wird die Kammer13 von einer rohrförmigen Umfangs- bzw. Mantelwand14 gebildet. In der Mantelwand14 ist eine Gaseinlassöffnung12 vorgesehen. Um die Gaseinlassöffnung12 ist ein rohrförmiger Gaseinlass18 vorgesehen, der zu der Wirbelkammer13 tangential angeordnet ist. Der rohrförmige Gaseinlass18 erzeugt eine tangential gerichtete Strömung des durch die Gaseinlassöffnung12 in die Kammer13 eintretenden Blow-by-Gases. Die durch die Gaseinlassöffnung12 eintretende Gasströmung wird an der Kammerwand14 entlang geführt. Aufgrund der Strömungskomponente in der Längsrichtung21 entsteht in der Kammer13 ein schraubenförmig um die Längsachse rotierender Gaswirbel20 , 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 Gaswirbel20 breitet sich insgesamt in einer Längsrichtung21 der rohrförmigen Kammer13 aus. Die Längsrichtung21 verläuft entlang der Mittelachse der Kammer13 und kann daher abschnittsweise zusammengesetzt sein, wie beispielsweise aus1 ersichtlich ist. - Die in dem Gaswirbel
20 auf die Ölpartikel wirkenden Fliehkräfte bewirken eine Abscheidung der Ölpartikel durch Kontakt mit der Umfangswand14 und Koaleszenz der sich im äußeren Bereich der Kammer13 anreichernden Ölpartikel zu Öltröpfchen. Das abgeschiedene Öl läuft entlang der Umfangswand14 der Kam mer13 ab und wird mittels eines Rücklaufs24 in den Motorölkreislauf zurückgeführt. Um die Schwerkraftableitung des Öls ohne Toträume sicherzustellen, weist der Boden der Kammer13 in der Betriebslage vorzugsweise ein stetiges Gefälle bis zu der Ölableitung24 auf. Durch eine beispielsweise in11 dargestellte Rücklaufsperre41 wird der Eintritt von Blow-by-Gas in den Reinraum26 durch die Ölablaufleitung24 in umgekehrter Richtung verhindert. - Die Charakteristik des Wirkungsgrades bzw. des Druckverlustes des Wirbelkammerabscheiders
11 in Abhängigkeit vom Volumenstrom entspricht etwa der Charakteristik eines Zyklons mit Tauchrohr. - Nach dem Durchlaufen der Kammer
13 läuft der schraubenförmige Gaswirbel20 an dem auslassseitigen Ende22 der Kammer13 aus, d. h. er geht in eine nicht-rotierende Strömung über, und tritt aus der Kammer13 durch die an dem auslassseitigen Ende22 der Kammer13 angeordnete Gasaustrittsöffnung25 aus. Das gereinigte Blow-by-Gas23 wird dann durch einen Reinraum26 beispielsweise zu dem Druckregelventil34 geleitet (siehe11 ). - Aufgrund des Austretens der Gasströmung aus der Wirbelkammer
13 an dem auslassseitigen Ende22 ergibt sich eine offene Bauweise der Kammer13 . Insbesondere kann ein in der Herstellung des Ölabscheiders11 verwendetes Spritzwerkzeug durch die Gasauslassöffnung25 in die Kammer13 eingreifen. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wenn, wie in den Beispielen der1 ,4 bis7 und10 , der Querschnitt der Kammer13 zwischen dem einlassnahen Ende19 und dem auslassseitigen Ende22 keine Verjüngung aufweist, sowie dass die Fläche des Gasauslassöff nung25 vorzugsweise größer oder gleich der maximalen Querschnittsfläche der Kammer13 ist. - Die offene Bauweise der Wirbelkammer
13 ermöglicht es, dass das abgeschiedene Öl27 durch die einen großen Querschnitt aufweisende Gasaustrittsöffnung25 aus der Wirbelkammer13 abfließt (siehe Ausführungsbeispiele gemäß den1 ,4 bis6 und10 ). Dadurch kann die im Stand vorhandene Ölableitung mit geringem Querschnitt, die ein ungünstiges Einfrierverhalten zeigt, vermieden werden. Anders ausgedrückt mündet die Ölableitung24 vorzugsweise in den Reinraum26 und nicht, wie im Stand der Technik, in die Wirbelkammer13 . - Wie aus
1 ersichtlich ist, findet an dem auslassseitigen Ende22 der Wirbelkammer13 , im markanten Unterschied zu einem herkömmlichen Zyklon mit Tauchrohr, keine Strömungsumkehr des Gases in die Gegenrichtung statt. - Die Kammer
13 umfasst, wie in1 gezeigt, insbesondere in ihrem einlassseitigen Bereich vorzugsweise einen im wesentlichen zylindrischen Abschnitt15 auf, damit sich zunächst ein stabiler Gaswirbel20 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. - Die Kammer
13 umfasst, wie in den1 und2b gezeigt, insbesondere mindestens in ihrem auslaßseitigen Bereich, vorzugsweise einen sich in der Längsrichtung21 erweiternden Abschnitt16 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 Abscheider11 verringert. Im Hinblick auf die gewünschte Wirkung beträgt die Konizität des Diffusors16 vorzugsweise mindestens 10°, weiter vorzugsweise mindestens 20°, noch weiter vorzugsweise mindestens 30°. - Bei der in den
1 ,2b und8b gezeigten, im Querschnitt ovalen Formung des Diffusors16 löst sich der Gaswirbel20 zunächst von der unteren Berandung der Kammer13 , so dass die ablaufende Flüssigkeit27 dort keinen Gaskontakt mehr aufweist und somit nicht wieder durch den Gasstrom mitgerissen werden kann. Es ist zu diesem Zweck vorteilhaft, wenn sich die Kammer13 im unteren Bereich stärker als im oberen Bereich erweitert, insbesondere indem sich die Kammer13 lediglich nach unten, nicht jedoch im oberen Bereich, erweitert, wie dies beispielsweise in1 der Fall ist. - In der bevorzugten Ausführungsform gemäß
2a ,2b weist die Wirbelkammer13 zwei vorzugsweise parallel angeordnete, sich tangential berührende Teilkammern13a ,13b mit einem gemeinsam genutzten Gaseinlass18 zur Ausbildung zweier gegenläufig rotierender, parallel angeordneter Gaswirbel20a ,20b auf; es handelt sich somit um eine Doppelkammer. Der Gaseinlass18 ist vorzugsweise tangential in den Bereich der tangentialen Berührung der beiden Teilkammern13a ,13b und weiter vorzugsweise auf die Mitte eines Stegs33 gerichtet, der als Strömungsteiler dient. Die Teilkammern13a ,13b liegen vorzugsweise (spiegel-)symmetrisch zu dem Gaseinlass18 . Die Umfangswand14 der Kammer13 ist daher vorzugsweise ω-förmig ausgebildet, wie in2a 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 in8a ,8b gezeigte Kammer13 . Auch Ausführungsformen mit mehr als zwei parallelen Gaswirbeln sind denkbar. - Um den Gaskontakt zu dem ablaufenden Öl
27 möglichst frühzeitig zu unterbinden, kann in einer Ausführungsform gemäß den3 bzw.9 im unteren Teil der Kammer13 bzw. des Diffusors16 eine Ablaufnut28 bzw. im Falle mehrerer Teilkammern13a ,13b eine oder mehrere Ablaufnuten28a ,28b in der Umfangswand14 vorgesehen sein, die unterhalb des durch die Umfangswand14 definierten Umfangs angeordnet sind. - Die in den
4 bis6 dargestellten Ausführungsformen verdeutlichen, dass die Formung der Wirbelkammer13 in Längsrichtung vielfältig variierbar ist. Im Beispiel der4 schließt sich an den Diffusor16 ein sich weniger stark erweiternder Bereich29 an. Im Beispiel der5 erweitert sich die gesamte Wirbelkammer13 gleichmäßig. Im Beispiel der6 erweitert sich die Wirbelkammer13 mit in der Gasauslassrichtung stetig zunehmendem Gefälle. - Bei dem in
7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist im Boden der Kammer13 eine Ölablauföffnung30 zu einem Ölablaufkanal31 vorhanden. Durch die Trennung von Gaswirbel20 und ablaufendem Öl27 mittels der Trennwand32 wird ein Wiederaufnehmen von abgeschiedenem Öl27 durch den Gaswirbel20 wirksam unterbunden. - Die Ausführungsform gemäß
10 betrifft eine vertikal angeordnete Wirbelkammer13 im Gegensatz zu der – im Hinblick auf eine reduzierte Bauhöhe bevorzugte – im wesentlichen horizontalen Einbaulage in den Beispielen der1 und4 bis7 . Da in der vertikalen Anordnung gemäß10 anfallende Emulsion besser abfließen kann, ist diese im Hinblick auf das Einfrierverhalten bevorzugt. - Je nach Anwendung sind auch Abscheider mit geneigter Einbaulage der Wirbelkammer
13 möglich.
Claims (11)
- Zylinderkopfhaube (
10 ) für einen Verbrennungsmotor, umfassend einen Ölabscheider (11 ) mit einer sich in einer Längsrichtung (21 ) erstreckenden Wirbelkammer (13 ), die eine sich in der Längsrichtung (21 ) erstreckenden rohrförmigen Mantelwand (14 ), einen zu der rohrförmigen Mantelwand (14 ) tangential angeordneten Gaseinlass (18 ) zum tangentialen Einblasen von Blow-by-Gas in die Wirbelkammer (13 ), so dass in der Wirbelkammer (13 ) mindestens eine entlang der Mantelwand (14 ) in der Längsrichtung (21 ) schraubenförmig rotierende Gaswirbelströmung (20 ) erzeugt wird, und eine Gasauslassöffnung (25 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasauslassöffnung (25 ) im Bereich eines auslaufseitigen Endes (22 ) der Gaswirbelströmung (20 ) angeordnet ist. - Zylinderkopfhaube nach Anspruch 1, wobei die Wirbelkammer (
13 ) im Querschnitt rund oder oval ist. - Zylinderkopfhaube nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gaseinlass (
18 ) ventilfrei ausgebildet ist. - Zylinderkopfhaube nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wirbelkammer (
13 ) einen sich zum auslaufseitigen Ende (22 ) hin erweiternden Abschnitt (16 ) aufweist. - Zylinderkopfhaube nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wirbelkammer (
13 ) im Bereich des Gaseinlasses (18 ) einen im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt (15 ) aufweist. - Zylinderkopfhaube nach Anspruch 5, wobei die Länge des zylindrischen Abschnitts (
15 ) im Bereich des 0,5- bis 5-fachen, vorzugsweise des 1- bis 3-fachen des Durchmessers liegt. - Zylinderkopfhaube nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fläche der Gasauslassöffnung (
25 ) größer oder gleich der maximalen Querschnittsfläche der Wirbelkammer (13 ) ist. - Zylinderkopfhaube nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei abgeschiedenes Öl durch die Gasauslassöffnung (
25 ) aus der Wirbelkammer (13 ) austritt. - Zylinderkopfhaube nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wirbelkammer (
13 ) eine Mehrzahl von Teilkammern (13a ,13b ) zur Ausbildung einer Mehrzahl von Gaswirbeln (20a ,20b ) umfasst. - Zylinderkopfhaube nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in einem Grund der Wirbelkammer (
13 ) eine Nut (28 ) zum Ableiten des Öls vorgesehen ist. - Zylinderkopfhaube nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wirbelkammer (
13 ) in einem Querschnitt durch den Gaseinlass (18 ) ω-förmig ausgebildet ist.
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