DE102008044857A1

DE102008044857A1 - Vorrichtung zum Abscheiden von Ölteilchen aus dem Kurbelgehäuseentlüftungsgas einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008044857A1
Application number: DE102008044857A
Authority: DE
Inventors: Matthias Sachse
Original assignee: Montaplast GmbH
Current assignee: Montaplast GmbH
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: DE102008044857B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abscheidevorrichtung zum Abscheiden von Ölteilchen aus dem Kurbelgehäuseentlüftungsgas einer Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse 2, einer Einlassöffnung zum Einströmen eines mit Öl beladenen Aerosols 4, einer Auslassöffnung 18, welche zum Saugrohr führt, sowie einem in dem Gehäuse 2 angeordneten Prallabscheider mit einem Stempel und einer diesen umgebenden Prallwand 12; 32, 34 zum Abscheiden kleiner Ölpartikel des Aerosols 4. Um eine Druckverlustoptimierung i. S. eines geringen Druckverlustes bei gleichzeitiger Bauraumoptimierung zur Anordnung in beengten Bauräumen zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass der Stempel als Umlenkregler 10 mit einer Umlenkreglermantelfläche und einer Außenkante am in Einbaulage vorderen Ende ausgebildet ist und dass der Umlenkregler 10 und die Prallwand 12; 32, 34 zusammen eine variable Düse mit nicht konstanten Kreisringquerschnitt bilden (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entölung eines Aerosols, welches aus dem Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors abgeführt wird, um möglichst gleichmäßigen, leichten Unterdruck im Kurbelgehäuse (KG-Unterdruck) während allen Lastzuständen des Verbrennungsmotors zu gewährleisten. Solche Vorrichtungen zur Ölabscheidung sind aus der Praxis des Motorenbaus bekannt. Ein nachgeschaltetes Membran-Ventil regelt den Unterdruck im Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine. Im Kurbelgehäuse-Entlüftungsgas mitgeführte Ölanteile werden in einem Ölabscheider abgetrennt und das abgetrennte Öl läuft über einen Rücklaufkanal zurück in die Ölwanne. Die Reinluft wird der Ansaugluft wieder zugeführt und schließt den Kreislauf. Diese Vorrichtungen zur passiven Abscheidung verwenden das Prinzip der Trägheitsabscheidung und werden deshalb häufig auch als Trägheitsabscheider bezeichnet.
Solche Trägheitsabscheider können zum Beispiel als Zyklon- oder als Prallabscheider ausgebildet sein. Ein Prallabscheider umfasst ein Gehäuse mit einer Einlassöffnung zum Einströmen eines mit Öl beladenen Aerosols, einer Auslassöffnung, welche zum Saugrohr führt, sowie einer in dem Gehäuse angeordneten Feinabscheider zum Abscheiden kleiner Ölpartikel des Aerosols. Üblicherweise ist vor dem Feinabscheider ein Vorabscheider in Form eines Volumen-, Labyrinth- oder Lamellensystems zum Abscheiden größerer Partikel angeordnet. Die Feinabscheider weisen zumindest eine Düse auf, durch die der Volumenstrom des Aerosols strömt, um dann zum Erzielen einer möglichst hohen Abscheideleistung möglichst eng aus der Strömungsrichtung umgelenkt zu werden. Ferner kann der Feinabscheider einen federbeaufschlagten Stempel umfassen, welcher den Volumenstrom reguliert und als Bypass fungieren kann. Ein solcher Prallabscheider ist beispielsweise aus der DE 10 2006 024 816 bekannt.
Ferner bekannt sind federbetätigte Feinabscheider, die einen zwischen einem federbeaufschlagten Stempel und einer korrespondierenden Auflagefläche gebildeten Ringspalt aufweisen, dessen Größe unabhängig vom Volumenstrom und somit variabel ist. Dieser Ventilsitz ist durch eine Ringwand umgeben, die einen Ringkanal bildet, der sich in Strömungsrichtung erweitert, um den Druckverlust zu senken. Bedingt durch die Ausrichtung des Ringspalts zur Mantelfläche der Ringwand wird die Schärfe der Umlenkung nachteilig reduziert. Ein solcher Prallabscheider ist beispielsweise aus der DE 10 2004 049 089 A1 bekannt.
Bekannte Prallabscheider sind immer mit einem volumenstromabhängigen Druckverlust des strömenden Aerosols verbunden. Auch ist die Abscheideleistung volumenstromabhängig. Daneben benötigen bekannte Prallabscheider immer einen recht großen Bauraum.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Prallabscheider so weiterzuentwickeln, dass eine Druckverlustoptimierung mit geringem Druckverlust bei gleichzeitiger Bauraumoptimierung zur Anordnung in beengten Bauräumen möglich ist. Auch soll die Volumenstromabhängigkeit der Abscheideleistung verbessert werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Stempel als Umlenkregler mit einer Umlenkreglermantelfläche und einer Außenkante am in Einbaulage vorderen Ende ausgebildet ist und dass der Umlenkregler und die Prallwand zusammen eine Düse bilden. Der vorgeschlagene Prallabscheider besteht folglich aus einem erfindungsgemäß ausgebildeten Umlenkregler und einer diesen umschließenden Prallwand. Beide Bauteile sind vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet. Das einströmende Aerosol wird durch die strömungsoptimierte Ausbildung der Frontseite des Umlenkreglers zur Außenkante oder Lippe beschleunigt und an dieser scharf umgelenkt. Der Umlenkregler und die Prallwand bilden im Zusammenspiel somit eine Düse, die üblicherweise einen Kreisringquerschnitt aufweist und auch die für die Abscheidung kleinster (Öl-)Partikel notwendige hohe Geschwindigkeit kurz vor der scharfen Umlenkung sorgt. Die besonders hohe Beschleunigung und Umlenkung wird erzielt durch strömungsoptimierte Geometrie der Frontseite des Umlenkreglers vor der Außenkante. Diese einfache Lösung ermöglicht eine Abscheidung in einem so breiten Spektrum von Partikeln mit einer Größe von 0,2 bis 10 μm, dass keine Vorabscheidung größerer Partikel ab einer Größe von 1,5 μm erforderlich ist. Damit ist die Vor- und Feinabscheidung zur Minimierung des erforderlichen Bauraums in einer Abscheidevorrichtung integrierbar.
Zur Erhöhung der Abscheideleistung ist der Umlenkregler vorzugsweise ausgebildet, um an der Außenkante einen Umlenkradius größer 90 Grad zu erzielen. Vorzugsweise ist dieser ausgebildet, um einen Umlenkradius zwischen 90 und 180 Grad, insbesondere 120 Grad zu erzielen. Bauraumvorteile der vorgeschlagenen Lösung ergeben sich aus der horizontalen Einbaulage, die den Ölablauf entscheidend begünstigt, und dem geringen Durchmesser der Abscheidevorrichtung an sich. Die vorgeschlagene Anordnung ist so besonders gut in einen zylindrischen Bauraum integrierbar, was den Einbau oberhalb des Zylinderkopfes oder am Saugrohr in einem Bauraum von 40 bis 45 mm erstmalig ermöglicht. Kostenvorteile bestehen wegen der günstigen und sehr einfachen Ausführungsform. Bei der Fertigung als Kunststoffteile werden somit nur zwei Kunststoffschalen benötigt.
Bei der Entwicklung der Erfindung hat sich überraschend herausgestellt, dass bei der vorgeschlagen Vorrichtung der statische Druck nicht nur im Einlaufbereich, sondern über den gesamten Kreisringquerschnitt nahezu konstant ist. Dies begünstigt eine sehr gute Gleichverteilung des Massenstroms über den Querschnitt und eine für die Abscheidung optimale Gleichrichtung der Strömungsfäden zur Realisierung einer möglichst scharfen 90°-Umlenkung gemäß der Formel: Fz = (mp·v2)/R = ξp·vP·(v2/r),wobei
F_z = Zentrifugalkraft, m_p = Masse des Partikels, V = Geschwindigkeit, R = Umlenkradius, ξ_P = Dichte der Öltropfen und Vp = Volumen eines Öltropfens.
Folglich ist eine hohe Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung des Aerosols für das Erzielen einer guten Abscheideleistung erforderlich ist. Der vorgeschlagene Trägheitsabscheider verwendet deshalb eine sehr scharfe Umlenkung, vorzugsweise um mehr als 90 Grad, z. B. von 90–180 Grad, insbesondere 120 Grad. Die Abscheidevorrichtung ist besonders effizient, weil diese durch die strömungsoptimierte Ausbildung grundsätzlich auch niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten des Aerosols dennoch eine hohe Abscheideleistung ermöglicht. Insofern wird die Volumenstromabhängigkeit gegenüber dem Stand der Technik entscheidend verbessert.
Bereits ein feststehender Umlenkregler bietet bei bestimmten Volumenstrom im oberen Fenster (z. B. 60–80 l/min) eine gute Abscheideleistung. Je größer der Volumenstrom ist, desto höher ist die Abscheideleistung und der Druckverlust.
Üblicherweise fällt der Druck exponentiell mit steigendem Volumenstrom ab. Eine besonders gute Abscheideleistung bei konstanter Geschwindigkeit (v) lässt sich durch die Regelung des Spaltquerschnitts der Düse erzielen. Dieses erfolgt bei der bevorzugten Ausbildung durch einen axial versetzbaren Umlenkregler, z. B. durch dessen Federbeaufschlagung. Dieses ermöglicht eine variable Ausbildung der Düse mit nicht konstantem Kreisringquerschnitt. Durch den Axialversatz bei steigendem Volumenstrom ist eine Vergrößerung des Spalts der Düse zur Kompensation des Druckabfalls realisierbar, Der erfindungsgemäße Prallabscheider kann folglich eine nahezu lineare/degressive Kennlinie aufweisen und kann somit bei höher werdender Geschwindigkeit eine bessere Abscheideleistung realisieren. Durch den axial verschieblich gelagerten Umlenkregler ist damit eine selbständige und variable Anpassung für jeden Volumenstrombereich und somit eine optimale Abscheideleistung realisierbar. Der gebildete Düsen-Kreisringquerschnitt passt sich dem passierenden Volumenstrom entsprechend durch Positionsänderung (Kreisquerschnittsvergrößerung oder -Verkleinerung) des Umlenkreglers an. Somit kann die Düsendurchtrittsgeschwindigkeit geregelt und der damit verbundene Druckverlust bedarfsgerecht kontrolliert werden. Die Ölpartikel können aufgrund der höheren Trägheit der scharfen Umlenkung des gerichteten Luftstroms nicht folgen und prallen gegen die äußere Prallwand und koaleszieren zu einem Flüssigkeitsfilm. Durch Auswahl einer Feder mit entsprechender Federrate kann gewährleistet werde, dass der Umlenkregler bei der Änderung des Volumenstroms bedarfsgerecht mehr oder weniger nachgibt.
Eine weitere Steigerung der Abscheideleistung auf geringem Bauraum ist durch eine mehrstufige Ausbildung mit mehreren hintereinander geschalteten Abscheidevorrichtungen erzielbar. Dieses kann durch mehrere Umlenkregler oder eine mehrstufige Ausgestaltung eines Umlenkreglers mit mehreren in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Außenkanten oder Lippen an einem Umlenkregler erfolgen.
Damit die Kreisringfläche zwischen Prallwand und Umlenkregler an jeder Stelle umlaufend konstant ist, weist die axial verstellbare Ausführungsform des Prallabscheiders ferner eine Lagerung zur Sicherung des Umlenkreglers im Verhältnis zur Prallwand auf,
Zur Optimierung der Abscheideleistung sind die Geometrien der Bauteile vorzugsweise strömungsoptimiert. Fertigungstechnisch besonders vorteilhaft ist eine rotationssymmetrische Ausbildung.
Die rotationssymmetrische Ausbildung der Bauteile des Feinabscheiders ist von Vorteil, weil derartige Formen die beste An- und Abströmung, Volumenstromverteilung und Stromfadenausrichtung aufweisen.
Erfindungsgemäß bildet der in Strömungsrichtung kleinste Spalt zwischen der Außenkante des Umlenkreglers und der Prallwand eine Düse für den Durchtritt des Aerosols, vorzugsweise vollumfänglich. Ist die Feinabscheidung nicht in Betrieb, d. h. der Durchtrittsvolumenstrom ist gleich Null, so hält der Umlenkregler zur Auflagefläche Linienkontakt oder steht in unmittelbarer Nähe. Im Betrieb drückt der Volumenstrom des Aerosols auf die Frontseite des Umlenkreglers und wird durch die strömungsoptimierte Geometrie des Umlenkreglers zum Randbereich umgelenkt. Im Zusammenspiel bilden Umlenkregler und Prallwand (Aerosolzuführung zur Prallwand) einen nicht konstanten Kreisringquerschnitt. Dieser wird in Strömungsrichtung zunehmend verkleinert, so dass die maximale Strömungsgeschwindigkeit nur an der die „Umlenkposition” bildenden Kante erzielt wird. Die Geometrie dieser Frontseite ist vorzugsweise zusätzlich druckverlustoptimal ausgebildet und größere Partikel können vorab schon am „Hutzipfel” koaleszieren. Vorzugsweise hat sie die Form des Einströmquerschnitts eines Strahltriebwerks. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird zur Vermeidung von Druckverlusten ein gleichmäßiger Volumenstrom der gesamten Querschnittsfläche erzielt, dessen Geschwindigkeit nur im Bereich der Prallwand und der Abrisskante des Umlenkreglers wegen zunehmender Querschnittsverjüngung vor der Umlenkung maximal ist. An der Außenkante des Umlenkreglers ist gewährleistet, dass der Volumenstrom zur Erzielung einer möglichst hohen Abscheideleistung eine möglichst scharfe Umlenkung bei möglichst großer Umlenkstrecke erfährt. Ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch erfindungsgemäße Formgebung besonders große Umlenkstrecken bei konstant kleinstem Umlenkradius erreicht werden können, um damit den Abscheidegrad in allen Volumenstrombereichen druckverlustoptimal zu verbessern.
Vorzugsweise erzielt diese Vorrichtung grundsätzlich zwei Ölabscheidephänomene. Das erste Phänomen betrifft das direkte koaleszieren kleinster Ölpartikel an die Prallwand. Zum Zweiten vereinigen sich feinste Ölpartikel zu größeren Tropfen. Sie werden durch den anstehenden Kreisringluftstrom mitgerissen und können durch einen einfachen, sehr druckverlustschwachen Widerstand (sekundäre Prallwand) abgeschieden werden.
Eine weitere Verbesserung der Absorbtionseigenschaften angeströmter Oberflächen lässt sich durch Aufbringen eines geeigneten Mittels zum Vergrößern der Oberfläche erzielen. Dieses kann z. B. durch ein raues Ausbilden der Prallflächen erreicht werden, was z. B. durch Aufbringen eines Vliesstoffes oder durch Ausbilden von Narben erreichbar ist.
Der erfindungsgemäße Feinabscheider ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Volumenstroms zwischen der vorderen Außenkante des Umlenkreglers und der Prallwand gebildeten variablen Düse am höchsten ist, hier aber gleichzeitig nur ein geringer Druckverlust auftritt.
Vorzugsweise ist die Prallwand in Strömungsrichtung konisch erweitert zur Bildung eines Freigangs, damit sich bei Zunahme des Volumenstroms und Axialversatz des Umlenkreglers in Druckrichtung gleichzeitig die Querschnittsfläche in Strömungsrichtung hinter dem Düsenquerschnitt kontinuierlich vergrößert, um somit die Strömungsgeschwindigkeit abrupt zu reduzieren. Voraussetzung für diese druckverlustoptimale Strömungsführung bei gleichzeitig maximaler Abscheideeffizienz ist, dass der Flächenquerschnitt im Freigang auch bei größter Öffnung immer größer ist als der Düsenquerschnitt.
Besonders bevorzugt werden Konizitäten (Gamma) von > 20 oder >= 45° gewählt. Der Winkel der Abrisskantentangente beträgt zur Prallwand vorzugsweise >= 90° (90° + Alpha; 90° + Beta). Je größer die Winkeltangente gewählt ist, desto schärfer gestaltet sich der Umlenkradius und die Umlenkstrecke (bei kleinstem Umlenkradius), die ein höheres Abscheiden begünstigt.
Der Umlenkregler ist ausgebildet zum Erzielen einer besonders gleichmäßigen Strömung und zum Erzielen einer besonders hohen Geschwindigkeit, und zwar nur im Umlenkbereich.
Der an dem Düsenquerschnitt umgelenkte Aerosolstrom scheidet die feinen Ölpartikel entweder direkt an der unmittelbaren Prallfläche ab oder kleinste Partikel vereinen sich zu größeren Tropfen und werden weitergetragen. Diese Ölpartikel bilden einen Ölfilm an der Außenseite der Prallwand, welcher an der Mantelfläche des Prallabscheiders angetrieben durch Schwerkraft und Luftströmung abläuft. Die konische Geometrie der Prallwand begünstigt damit auch das Strömungsverhalten des abgeschiedenen Ölfilms.
Zur weiteren Verbesserung der Abscheidung kann die Prallwand so ausgebildet sein, dass sich der Luftstrom in Strömungsrichtung hinter der Düse in mehrere Teilströme aufteilen kann. Dieses kann z. B. dadurch erfolgen, dass die Prallwand als Steg ausgebildet ist, der an der Vorder- und an der Rückseite von dem Volumenstrom umströmt wird. Diese Ausgestaltung bildet folglich einen weiteren Kanal zur Verbesserung der Abscheidung. Der Luftstrom kann sich somit nach der Abscheidung in zwei Teilströme aufteilen. Diese Volumenströme werden in der Reinluftseite in dem Prallwandabscheider wieder zusammengeführt.
Ebenfalls zur Verbesserung der Abscheidung kann die Umlenkung auch in mehreren Stufen erfolgen, wobei die Umlenkgeometrien bei gleichem oder größerem Durchmesser hintereinander angeordnet sind. So sind zum Beispiel an der jeweiligen Stufe unterschiedliche Öffnungsgeometrien realisierbar. Bei einer in Reihe geschalteten Anordnung ist hat es sich als Vorteilhaft erwiesen, dass sich mit zunehmendem Durchmesser die Kreisringfläche automatisch vergrößert. Zur Kompensation kann man noch kleinere Kreisringspalte realisieren, die die Abscheidung vorteilhaft beeinflussen.
Bei einer einstufigen Ausführungsform ist der Prallabscheider in Ruhestellung vorzugsweise zu, d. h. die Außenkante liegt an der Auflagefläche an. Im Falle einer mehrstufigen Ausführungsform scheidet die erste Stufe vorzugsweise größere Partikel ab und eine oder mehrere nachgelagerte Stufen scheiden kleinere Partikel ab. Es hat sich zur Vermeidung von Druckverlusten als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die vorgelagerte(n) Stufe(n) dann in jedem Fall geringfügig offen ist (sind) und die letzte Stufe im Linienkontakt an der Auflagefläche anliegt oder in unmittelbarer Nähe steht.
Ferner ist es bei einer mehrstufigen Ausbildung vorteilhaft, wenn die erste Stufe einen kleineren Durchmesser als die nachgelagerte Stufe aufweist. Durch die unterschiedlichen Kreisringflächen ergeben sich bei gleichem Öffnungszustand bei Verwendung eines gemeinsamen Federelements an dem vorgelagerten Prallabscheidern kleinere Öffnungsflächen als bei dem nachgelagerten Prallabscheider.
Eine Kompensation kann alternativ auch durch Veränderung des Öffnungsspalts erfolgen. Ein größerer Öffnungsquerschnitt kann weiter geschlossen sein, um die gleiche Öffnungs fläche wie ein kleinerer Öffnungsquerschnitt zu erhalten. Grundsätzlich sind kleine Spalte aber vorteilhaft für die Abscheideleistung, weil mit einem kleinen Spalt bei geringem Druckverlust eine höhere Abscheideffizient erzielbar ist.
Im geschlossenen Zustand besteht zwischen der Außenkante des Umlenkreglers und der Auflagefläche Linienkontakt.
Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Abscheideleistung ist durch eine parallele Anordnung mehrerer Feinabscheider der zuvor beschriebenen Art erzielbar. Die Feinabscheider können mit unterschiedlichen Federn zur Realisierung unterschiedlicher Öffnungskreisringflächen ausgebildet sein, die sich bei anstehender Druckdifferenz von Roh- zu Reinluftseite ergibt.
Für das Aufrechterhalten einer homogenen Strömung ist es zweckmäßig, dass der Ringspalt zwischen dem Umlenkregler und der Prallwand möglichst konstant ist. Dabei kann es mitunter problematisch sein, den Umlenkregler während des Betriebs nur durch eine Feder, z. B. eine Spiralfeder zentrisch zu lagern. Dieses ist insbesondere problematisch bei Schwingungen, welche zum einseitigen Anschlagen des Umlenkreglers an der Prallwand und/oder der Auflagefläche führen können und die homogene Umströmung stören. Zur Vermeidung dieses Problems können in einer bevorzugten Weiterentwicklung zwischen dem Umlenkregler und der Prallwand als Lager dienende Führungsmittel vorgesehen sein, welche jederzeit eine mittige Führung des Umlenkreglers im Verhältnis zur umspannenden Prallwand gewährleisten.
Vorzugsweise umfassen diese Mittel zwischen dem Umlenkregler und der Prallwand ausgebildete Stege, die in komplementär ausgebildeten Schlitzen geführt sind. Vorzugsweise sind die Stege radial abragend an dem Umlenkregler ausgebildet, die in Schlitzen in der Prallwand geführt sind. Bei der besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Umlenkregler vier jeweils um 90° versetzte radial abragende Stege auf.
Für eine gleichmäßige Belastung der Lagerstellen ist es aus Verschleiß- und Belastungsgründen vorteilhaft, wenn die Stege des Lagers sich in einem Winkel von 45 Grad zur Kolbenlaufrichtung des Verbrennungsmotors erstrecken. Die so gewählte Lagerung ermöglicht ferner die Lagerung im Konus zwischen dem Umlenkregler und der Prallwand.
Ferner ist vorteilhaft, dass die Lagerung so ausgebildet ist, dass diese durch den ölbeladenen Aerosolstrom ständig mit frischem Öl aus dem Kurbelgehäuse benetzt wird. Durch diesen zwischenliegenden Ölfilm ergeben sich nämlich gute Dämpfungseigenschaften und er ermöglicht eine Lagerpaarung gleicher Werkstoffe, welche sonst sehr schwierig oder gar nicht realisierbar ist. Aufgrund des vorgeschlagenen Lagerungkonzepts ist das Abscheideelement ferner sehr temperaturausdehnungsunempfindlich. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass auch andere Lagerungen realisierbar sind.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Prallabscheiders, wobei der Umlenkregler nur axial mittels einer Spiralfeder gelagert ist;
2 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform des Prallabscheiders mit einem zusätzlich radial gelagerten Umlenkregler;
3 einen Längsschnitt einer 2-stufigen Ausführungsform des Prallabscheiders mit 2 in axialer Richtung hintereinander geschalteten Feinabscheidern;
4 eine vergrößerte Darstellung des Abschnitts IV gemäß 3 zur Verdeutlichung der geometrischen Ausbildung des Prallabscheiders;
5 eine vergrößerte Rückansicht des Umlenkreglers gemäß 2 zur Verdeutlichung der radialen Lagerung;
6 eine Rückansicht eines Umlenkreglers mit einer alternativ ausgebildeten radialen Lagerung;
7 eine Front- und Seitenansicht eines zusätzlich axial gelagerten Umlenkreglers,
8 einen Längsschnitt des Umlenkreglers gemäß 7 entlang der Linie A-A;
9 eine vergrößerte Längsschnittdarstellung einer alternativ ausgebildeten Prallwand;
10 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines zweistufigen Prallabscheiders mit in einem in der radialen Lagerung integrierten Bypass, und
11 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform eines zweistufigen Prallabscheiders.
Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Demnach besteht der Prallabscheider aus einem Gehäuse 2, in das ein mit Öl beladenes Aerosol 4 nach einer Vorabscheidung einströmt. Das Aerosol 4 trifft auf den auf einer Druckfeder 6 auf einem Stutzen 8 des Gehäuses 2 axial gelagerten Umlenkregler 10. Der rotationssymmetrische und topfartig ausgebildete Umlenkregler 10 bestimmt dabei die Bauhöhe des Prallabscheiders. Der Umlenkregler 10 ist umfänglich in einem sich konisch in Strömungsrichtung verbreiternden Bereich des Gehäuses geführt, welcher die Prallwand 12 bildet.
Das Aerosol 4 wird aus einem Kurbelgehäuse 14 einer Verbrennungsmaschine kommend über einen Eingangskanal 16 dem Gehäuse 2 axial zugeführt und trifft auf die Frontseite des Umlenkreglers 10.
Der Umlenkregler 10 ist auf der Frontseite strömungsoptimiert ausgebildet mit einem in der Mitte nach Art des Einlaufs eines Strahltriebwerks spitz zulaufendem Abschnitt versehen, der beidseitig radial nach außen mit einer sitzförmigen Krümmung der Vorderfläche versehen ist, die an der Außenkante jeweils mit einer umlaufenden lippenförmigen Außenkante oder einfach Lippe 11 versehen sind. Diese Lippe 11 ist ausgebildet, um jederzeit ein rechtwinkliges Auftreffen des Aerosols auf die umschließende Prallwand 12 zum Erzielen einer optimalen Abscheideleistung zu gewährleisten.
Durch die strömungsoptimierte Geometrie des Umlenkreglers 10 wird das Aerosol 4 radial zur umgebenden Prallwand 12 des Umlenkreglers 10 gelenkt und beschleunigt. Der Volumenstrom drückt den Umlenkregler 10 gegen die Federkraft der Druckfeder 6 in Achsrichtung, so dass zwischen dem Umlenkregler 10 und der Prallwand 12 ein Ringspalt entsteht. Dieser Ringspalt bildet die erfindungsgemäße Düse mit variablem Querschnitt. Durch das Umlenken des Volumenstroms wird das Öl aus dem Aerosol abgeschieden. Dieses abgeschiedene Öl läuft an der Innenseite der Prallwand 12 ab und läuft durch einen an dem Gehäuse 2 einstückig radial abgehend angeformten Ölablaufstutzen 16 ab. Die gereinigte Luft strömt durch einen axial hinter dem Umlenkregler 10 angeordneten Ausgangskanal 18 in das lediglich schematisch dargestellte Druckregelventil 20 und dann über eine geteilte Reinluftleitung 22 in ein Saugrohr 24 oder einen Vorturbolader 26.
Bei der Ausführungsform gemäß 2 ist der Umlenkregler 10 zusätzlich zu der axialen Lagerung auf der Druckfeder zusätzlich außenseitig mit radial abragenden Stegen 28 versehen, die in schlitzförmige Führungsöffnungen 30 der Prallwand 12 geführt sind.
3 zeigt einen 2-stufig ausgebildeten Prallabscheider gemäß der Erfindung. Dieser umfasst eine erste Prallwand 32 und einer in Strömungsrichtung danach angeordneten radial verbreiterten zweiten Prallwand 34. Korrespondierend zu ersten Prallwand 32 weist der ebenfalls 2-stufig ausgebildete Umlenkregler 10 eine mit dieser zusammenwirkende erste Lippe 36 und konzentrisch radial nach außen und in Strömungsrichtung zurück versetzt eine zweite Lippe 38 auf, welche mit der zweiten Prallwand 34 zusammenwirkt. Durch diese Ausbildung lassen sich an den jeweiligen Stufen unterschiedliche Öffnungsgeometrien realisieren. Erkennbar ist, dass zur Vermeidung von Druckverlusten die erste Stufe geringfügig offen ist und die zweite Stufe im Linienkontakt anliegt oder zumindest deutlich weiter geschlossen ist. Dieses ist aus der vergrößerten Darstellung des Abschnitts IV in 3 zu erkennen. In 4 ist auch der umfänglich an der Vorderkante der Prallwände radial nach innen und in Strömungsrichtung geneigte Wulst 40 zu erkennen, der eine strömungsoptimierte Geometrie zur Beschleunigung des Aerosols 4 aufweist.
Zur Erzielung einer konstanten Kreisringfläche zwischen der den Umlenkregler 10 konzentrisch umgebenden Prallwand 10 kann der erfindungsgemäße Feinabscheider ferner mindestens ein Lager zwischen dem Umlenkregler und zur Prallwand umfassen, Diese vorzugsweise radial wirkende Lagerung ist näher in den 5 und 6 dargestellt.
Zur Erzeilung einer konstanten Kreisringfläche zwischen der den Umlenkregler 10 konzentrisch umgebenden Prallwand 12; 32, 34 kann der vorgeschlagene Feinabscheider ferner ein Lager zwischen dem Umlenkregler 10 und der Prallwand 12; 32, 34 umfassen. Diese vorzugsweise radial wirkende Lagerung wurde bereits zur 2 oben beschrieben und ist näher in den 5 und 8 dargestellt. 5 zeigt einen Querschnitt durch die Rückseite des Prallabscheiders gemäß 2 entlang der Linie V-V. Demnach umfasst das vorgeschlagene Radiallager vier um 90 Grad zueinander versetzt angeordnete Stege 28, die sich von dem Mittelpunkt des Prallabscheiders 10 radial nach außen erstrecken und von denen jeweils zwei diametral gegenüberliegende Stege 28 paarweise kollinear zueinander angeordnet sind. Die bevorzugte Ausbildungsform sieht zum erzielen eines gleichmäßigen Reibverschleißes an den Lagerstellen vor, dass die durch zwei Stege 28 verlaufenden Mittelachsen jeweils etwa um 45 versetzt zur Kolbenlaufrichtung des Verbrennungsmotors angeordnet sind, Die Stege 28 sind einstückig an dem topfförmigen Umlenkregler um jeweils 90 Grad zueinander versetzt an der äußeren Mantelfläche radial abragend angespritzt.
Die 6 zeigt eine Rückansicht eines Umlenkregler mit mehreren radialen Stegen 28. Bei dieser Lösung sind insgesamt acht radial abragende Stege an der Umfangsfläche so angeordnet, dass jeweils zwei Stege 28 zwischen sich einen Winkel von 45 Grad einschließen. Die erfindungsgemäße Lehre umfasst selbstverständlich auch andere geometrische Anordnungen der Stege 28 und andere Winkelanordnungen.
Die 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform einer zusätzlichen axialen Lagerung. Diese umfasst einen am Gehäuse angeformten und sich in axialer Richtung erstreckenden Zapfen 56, auf dem ein Aufsatzstutzen 58 an der Rückseite des Umlenkreglers 10 axial verschieblich geführt ist.
Die 9 zeigt einen vergrößerten Querschnitt einer alternativen Ausführungsform im Bereich zwischen dem Prallabscheider 10 und der umgebenden Prallwand 12. Der Prallwand 12 vorgelagert in Richtung des Umlenkreglers 10 ist eine Zwischenwand 42 angeordnet, welcher zurückversetzt von dem vorderen Ende der bogenförmig ausgebildeten Prallwand 12 ist, sodass das Aerosol/der Luftstrom diese Zwischenwand 42 zur Verbesserung der Abscheideeffizienz beidseitig umströmt. Die Zwischenwand 42 bildet somit die eigentliche Prallfläche.
Die in 10 im Längsschnitt dargestellte alternative Ausführungsform eines zweistufigen Prallabscheiders umfasst ferner an den radialen Stegen 28 ausgebildete Bypasskanäle 44 zwischen den Stegen 28 der Vertikalwand 46 und der Innenseite des Gehäuses 2. Diese Bypasskanäle 44 ermöglichen das Umgehen der in dem Schnitt nicht sichtbaren zweiten Stufe zum Abbau eines möglichen Überdruckes. Auch kann dieser so ausgebildet sein, dass sich der Umlenkregler erst ab einem bestimmten Volumenstrom öffnet bzw. verschiebt zur Freigabe von mehr Querschnittsfläche. Über die Führungsöffnungen an den radialen Lagern kann jeweils ein Bypass von der Rohluft bis zur Reinluftseite strömen. Im Falle eines Festfrierens der Lagerstege bei langem Fahzeugstillstand und großer Kälte kann bei einem Kaltstart heißes Gas über die Lagerstege strömen und diese schnell erwärmen. Insofern wird die Kaltstartphase durch diese Ausbildung erheblich verbessert. Ferner wird an den Lagerstelle immer genug Frischöl zur Verfügung gestellt, welches die Schmierwirkung verbessert. Eine weitere Ausbildungsform sieht vor, dass Bypasskanäle als Kerben oder Rillen an der äußeren Mantelfläche des Umlenkreglers selbst angeformt sind.
Ebenfalls vorgesehen bei der Ausführungsform gemäß 10 sind Vliese 48, 50, die zur Erhöhung der angeströmten Oberfläche und Absorption für eine weitere Verbesserung der Effizienz der Abscheidung vorgesehen sind. Das eine Vlies 48 ist umfänglich an der Innenseite des Gehäuses 2 direkt hinter den Stegen 28 des Umlenkreglers 10 angeordnet. Das zweite Vlies ist auf der Vorderseite der hinteren Vertikalwand 52 aufgebracht. Auch können nur einzelne Vliese an anderen Stellen vorgesehen sein.
Bei der Ausführungsform des zweistufigen Prallabscheiders gemäß 11 weist der Umlenkregler 10 zudem eine Ölablauföffnung 54 auf, über welche größere Partikel von ca. 1,5–2 μm vor erreichen der Lippe des Umlenkreglers 10 abgeschieden werden. Dieser Ölablauföffnung 54 sorgt für die Abführung des abgeschiedenen Öls in die Reinluftseite und kann dann schließlich, evtl. auch geschützt, in die Hauptablaufleitung gelangen. Durch diese Ausgestaltung wird somit zur Reduzierung des Bauraums die Vorabscheidung in die Abscheidevorrichtung integriert. Diese Ausführungsform ist naturgemäß nicht auf die mehrstufige Ausführungsform beschränkt.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander. Alle in den Unterlagen – einschließlich der Zusammenfassung – offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. Die Ausführungsbeispiele sollen keine Beschränkung des Schutzumfangs darstellen.

2: Gehäuse
4: Aerosol
6: Druckfeder
8: Stutzen
10: Umlenkregler
12: Prallwand
14: Kurbelgehäuse
16: Ölablaufstutzen
18: Ausgangskanal
20: Druckregelventil
22: Reinluftleitung
24: Saugrohr
26: Vorturbolader
28: Steg
30: Führungsöffnung
32: erste Prallwand
34: zweite Prallwand
36: erste Lippe
38: zweite Lippe
40: Wulst
42: Zwischenwand
44: Bypasskanal
46: vordere Vertikalwand
48: Vlies
50: Vlies
52: hintere Vertikalwand
54: Ölablauföffnung
56: Zapfen
58: Aufsatzstutzen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006024816 [0002]
- DE 102004049089 A1 [0003]

Claims

Abscheidevorrichtung zum Abscheiden von Ölteilchen aus dem Kurbelgehäuseentlüftungsgas einer Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse (2), einer Einlassöffnung zum Einströmen eines mit Öl beladenen Aerosols (4), einer Auslassöffnung (18), welche zum Saugrohr führt, sowie einem in dem Gehäuse (2) angeordneten Prallabscheider mit einem Stempel und einer diesen umgebenden Prallwand (12; 32, 34) zum Abscheiden kleiner Ölpartikel des Aerosols, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel als Umlenkregler (10) mit einer Umlenkreglermantelfläche und einer Außenkante am in Einbaulage vorderen Ende ausgebildet ist und dass der Umlenkregler (10) und die Prallwand (12; 32, 34) zusammen eine Düse bilden.
Abscheidevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkregler (10) axial verstellbar ist.
Abscheidvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkregler (10) federbeaufschlagt ist.
Abscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkregler (10) stromaufwärts von der Außenkante zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Aerosols ausgebildet ist.
Abscheidevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontseite des Umlenkreglers (10) ausgebildet ist zur Erzielung einer maximalen Geschwindigkeit an der Außenkante bei gleichzeitig geringem Druckverlust.
Abscheidevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkregler (10) in Ruhestellung ohne Volumenstrom an der Prallwand (12; 32, 34) mit einem Linienkontakt anliegt.
Abscheidevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkregler (10) in Ruhestellung von der Prallwand (12; 32, 34) geringfügig beabstandet ist.
Abscheidevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallwand (12; 32, 34) ausgebildet ist zur Optimierung der Abscheidungsleistung.
Abscheidevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Vlies (48, 50) aufweist.
Abscheidevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine zweite Prallwand (34) zur Bildung eines druckverlustschwachen Widerstands umfasst.
Abscheidevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Prallwand (12; 32, 34) in Strömungsrichtung konisch erweitert.
Abscheidevorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallwand eine Konizität von größer 20 oder größer gleich 45 Grad aufweist.
Abscheidevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel zwischen einer Tangente an der Außenkante und der Auflagefläche der Prallwand (12; 32, 34) größer oder gleich 90 Grad ist.
Abscheidevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese mehrere Prallabscheider umfasst.
Abscheidevorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallabscheider parallel zueinander angeordnet sind.
Abscheidvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese mehrstufig in Reihe angeordnet sind.
Abscheidevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Heizelement an den Kontaktflächen und/oder den Lagern umfasst zur Überbrückung der Kaltstartphase umfasst.
Abscheidevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federspannung durch ein angesetzte Kunststoffelement mit keiner oder nur geringer Vorspannung erzielbar ist
Abscheidevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkregler (10) eine zusätzliche Lagerung umfasst.
Abscheidevorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung mindestens einen Steg (24) umfasst.
Abscheidevorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mehrere Stege (28) umfasst, die sich versetzt zueinander radial nach außen von der äußeren Mantelfläche des Umlenkreglers (10) erstrecken.
Abscheidevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mindestens einen Bypass von Roh- und Reinluftseite aufweist.
Abscheidevorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass zwischen dem Umlenkregler (10) und dem Gehäuse (2) ausgebildet ist.
Abscheidevorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass an der äußeren Mantelfläche des Umlenkreglers (10) ausgebildet ist.
Abscheidevorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkreler eine Ölablauföffnung (54) umfasst.