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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsabscheider,
ein Entlüftungssystem sowie einen Verbrennungsmotor, mit
denen aus einem Gas eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsnebel,
insbesondere Öl oder Ölnebel, abgeschieden werden
können. Derartige Flüssigkeitsabscheider werden
insbesondere zur Abscheidung von Ölnebel und Öltröpfchen
aus Blow-by-Gasen (Durchblasegasen) eines Verbrennungsmotors eingesetzt.
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Die
Blow-by-Gase werden hierbei herkömmlicherweise aus dem
Kurbelgehäuse über eine zu einem Entlüftungssystem
gehörige Entlüftungsleitung zum Ansaugtrakt des
Verbrennungsmotors geführt und so wieder dem Verbrennungsprozess
zugeführt. Es ist jedoch erforderlich, zuvor mitgerissenes Öl
aus diesen Blow-by-Gasen abzuscheiden.
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Dies
erfolgt in sog. Ölabscheidern, also Flüssigkeitsabscheider
für Ölnebel und/oder Öltröpfchen aus
einem Gas, hier dem Blow-by-Gas. Derartige Ölabscheider
verwenden zur Abscheidung des Ölnebels oder der Öltröpfchen
verschiedene Verfahren, beispielsweise Prallabscheidung, Zentrifugalabscheidung
und dergleichen. Die vorliegende Erfindung betrifft jedoch nicht
die Ölabscheidung unter Verwendung eines oder mehrerer
Zyklone.
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Abhängig
vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors können bei der Ölabscheidung
aus Blow-by-Gasen Bedingungen auftreten, bei denen kritische Zustände
erreicht werden. Zum einen führt ein zu großer
Unterdruck im Ansaugtrakt dazu, dass das Kurbelgehäuse
leer gesaugt werden kann. Andererseits führt ein zu geringer
Unterdruck im Ansaugtrakt bzw. ein zu hoher Druckverlust in der
Entlüftungsleitung dazu, dass im Kurbelgehäuse
ein Überdruck entsteht. Ein Überdruck gegenüber
dem atmosphärischen Druck im Kurbelgehäuse ist
jedoch nicht zulässig.
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Daher
werden nach dem Stand der Technik bei nahezu jedem Verbrennungsmotor
in der Entlüftungsleitung Druckregelventile angeordnet,
die den Druckabfall im Entlüftungssystem regeln und damit das
Kurbelgehäuse vor unzulässig hohem Unterdruck
schützen. Sie schließen, wenn der Unterdruck saugseitig
zu hoch wird und verursachen so einen zusätzlichen Druckabfall
in der Entlüftungsleitung.
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Für
den Fall, dass im Ansaugtrakt nur ein geringer Unterdruck anliegt
oder ein unzulässig hoher Druckabfall in der Entlüftungsleitung
auftritt, beispielsweise durch Verstopfen eines der dort angeordneten Ölabscheider,
werden in der Entlüftungsleitung By pass-Leitungen (Umgehungsleitungen)
vorgesehen, die die entsprechenden Stellen, d. h. die Ölabscheider,
umgehen. Diese sind über Bypass-Ventile verschlossen, die
lediglich ansprechen, wenn der Differenzdruck eines Abscheiders
zu groß wird.
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Während
ungeregelte Systeme ohne Bypass-Leitung bei einem großen
Volumenstrom der Blow-by-Gase einen hohen Druckverlust über
den Abscheider erzeugen und bei kleinem Volumenstrom eine schlechte
Abscheiderate erzielen, sind Entlüftungssysteme und Ölabscheideventile
mit einem Bypass konstruktiv sehr aufwändig und damit auch
kostenintensiv. Insbesondere sind derartige Systeme immer spezifisch
an die Bedingungen des jeweiligen Verbrennungsmotors anzupassen.
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Die
DE 103 09 278 A1 offenbart
ein Entlüftungssystem mit einem Verteilerkanal, von dem
mehrere einzelne Entlüftungsleitungen abgehen. Diese führen
zu einzelnen Abscheideelementen. In dem Verteilerkanal ist ein Schließkörper
angeordnet, der die einzelnen Kanäle sukzessive verschließen
oder öffnen kann. Hierdurch wird eine Anpassung der Anzahl
der Ölabscheideelemente an die Druckverhältnisse
in dem Verteilerkanal vorgenommen.
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Die
EP 1 644 124 A1 zeigt
ein ähnliches System, bei dem einzelne Ölabscheideelemente
in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen in
einem Verteilerkanal zu- oder abgeschaltet werden können.
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Derartige
Entlüftungssysteme sind für jeden Verbrennungsmotor
spezifisch auszulegen. Ihre Herstellung erfolgt daher in kleineren
Serien und ist deshalb kostenintensiv.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen geregelten Flüssigkeitsabscheider,
ein diesen enthaltendes Entlüftungssystem sowie einen dieses
enthaltenden Verbrennungsmotor zur Verfügung zu stellen,
der auf einfache und kostengünstige Weise herzustellen
ist und an die Druck- und Volumenstromverhältnisse des
jeweiligen Systems, in dem er eingesetzt wird, auf einfache Weise
angepasst werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch den Flüssigkeitsabscheider nach Anspruch
1, das Entlüftungssystem nach Anspruch 14 sowie den Verbrennungsmotor nach
Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Flüssigkeitsabscheiders werden in den abhängigen
Ansprüchen 2 bis 13 gegeben.
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Der
erfindungsgemäße Flüssigkeitsabscheider
dient zur Abscheidung von Flüssigkeiten und/oder Flüssigkeitsnebeln
aus Gasen, insbesondere aus Blow-by-Gasen eines Verbrennungsmotors.
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Der
erfindungsgemäße Flüssigkeitsabscheider
weist ein Gehäuse mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass
auf. Dieses Gehäuse wird vom Gaseinlass her zum Gasauslass
hin von dem Gas durchströmt, aus dem Flüssigkeiten
oder Flüssigkeitsnebel abgeschieden werden sollen.
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Der
Innenraum des Gehäuses ist mittels einer inneren Wandung
in zwei Teilräume aufgetrennt, nämlich einen Verteilerraum
innerhalb der Wandung und einen weiteren Gasraum zwischen der inneren Wandung
und dem äußeren Gehäuse. Der Verteilerraum
ist mit dem Gaseinlass verbunden. Vorteilhafterweise kann die Seite
des Gehäuses, in der der Gaseinlass angeordnet ist, zugleich
auch eine der Seiten der Wandung des Vertei lerraums darstellen.
Das über den Gaseinlass in den Flüssigkeitsabscheider einströmende
Gas wird also in den Verteilerraum geleitet und verlässt über
den beschriebenen weiteren Gasraum durch den Gasauslass den Flüssigkeitsabscheider.
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Im
Verteilerraum strömt das Gas vom Gaseinlass längs
der inneren Wandung. Diese Strömungsrichtung wird im Folgenden
als Gasströmungsrichtung im Verteilerraum bezeichnet. Meist entspricht
sie der Strömungsrichtung des Gases durch den Gaseinlass
bzw. von dem Gaseinlass weg in den Verteilerraum bzw. ist parallel
zu der inneren Wandung gerichtet. Vorteilhafterweise erstreckt sich diese
Gasströmungsrichtung in Richtung der Längssymmetrieachse
der seitlichen Wandung des Verteilerraums. Sie ist in den Figuren
mit „A” bezeichnet.
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In
der Wandung des Verteilerraums zwischen dessen Innenraum und dem
weiteren Raum zwischen der Wandung und dem Gehäuse befinden sich
mindestens zwei Gasdurchtrittsöffnungen, die bezüglich
der Gasdurchtrittsrichtung in der Wandung nebeneinander angeordnet
sind. Unter Gasdurchtrittsrichtung wird hier die Richtung verstanden,
die sich vom Gaseinlass der Gasdurchtrittsöffnung zum Gasauslass
der Gasdurchtrittsöffnung erstreckt. Diese Gasdurchtrittsrichtung
entspricht daher vorteilhafterweise der vom Einlass zum Auslass
der Gasdurchtrittsöffnungen sich erstreckenden Symmetrieachse der
Gasdurchtrittsöffnungen. Sie ist in den Figuren mit „B” bezeichnet.
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Mindestens
eine der Gasdurchtrittsöffnungen ist mittels einer Steuervorrichtung öffenbar
und verschließbar. Hierdurch ist es möglich, in
Abhängigkeit von den Druck- und Volumenstromverhältnissen in
dem Flüs sigkeitsabscheider die Zahl der jeweils geöffneten
Gasdurchtrittsöffnungen anzupassen und so unterschiedliche
Strömungsquerschnitte durch die Wandung des Verteilerraums
und damit einen variablen Strömungswiderstand bzw. Druckabfall über
die Wandung des Verteilerraums zur Verfügung zu stellen.
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Mindestens
eine der Gasdurchtrittsöffnungen weist ein Flüssigkeitsabscheideelement
auf, dessen vorteilhafte Ausgestaltung nachstehend noch genauer
beschrieben wird.
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Erfindungsgemäß ist
die Wandung des Verteilerraums nun in mehrere, d. h. mindestens
zwei, einzelne flächenhafte Wandelemente aufgeteilt, die einen
modularen Aufbau der Wandung des Verteilerraums ermöglichen.
In diesen Wandelementen sind die oben genannten Gasdurchtrittsöffnungen
angeordnet, wobei die mindestens zwei Gasdurchtrittsöffnungen
in Gasströmungsrichtung innerhalb des Verteilerraums nebeneinander
bzw. hintereinander in den Wandelementen angeordnet sind. Diese
mindestens zwei Gasdurchtrittsöffnungen können
dabei in verschiedenen Wandelementen angeordnet sein.
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Weiterhin
weist der erfindungsgemäße Flüssigkeitsabscheider
Halteelemente auf, die zum Befestigen der flächenhaften
Wandelemente dienen. Diese Halteelemente sind vorteilhafterweise
ihrerseits am Gehäuse des Flüssigkeitsabscheiders,
beispielsweise den Gaseinlass umgebend, auf der Innenseite des Gehäuses
des Flüssigkeitsabscheiders angeordnet.
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Die
flächenhaften Wandelemente sind vorteilhafterweise eben,
so dass beispielsweise im Schnitt senkrecht zur Gasströmungsrichtung
in dem Verteilerraum drei eckige, viereckige oder fünfeckige Konturen
des Verteilerraums herstellbar sind. Die flächenhaften
Wandelemente können jedoch auch Krümmungen aufweisen,
so dass beispielsweise die seitliche Wandung des Verteilerraums
mittels zweier gekrümmter Halbschalen zusammengesetzt werden kann.
Zwischen den einzelnen Wandelementen befindet sich dann jeweils
ein Halteelement, das beispielsweise Längsnuten aufweisen
kann, in die die Wandelemente eingesetzt werden können.
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Vorteilhafterweise
haben die Wandelemente sämtlich gleiche Außenmaße,
vorteilhafterweise sind sie sogar vollständig gleich ausgestaltet,
so dass sich eine vollständige Modularität der
Seitenwand des Verteilerraums ergibt.
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Eine
derartige erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht
es, einen Flüssigkeitsabscheider herzustellen, der einen
modularen Aufbau aufweist und daher eine große Gleichteilezahl
besitzt. Damit ist ein einfacher Aufbau, einfache Lagerhaltung und einfacher
Transport verbunden, wodurch der erfindungsgemäße
Flüssigkeitsabscheider kostengünstig hergestellt
werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Konstruktion des Flüssigkeitsabscheiders
ermöglicht es insbesondere, den Flüssigkeitsabscheider
auf leichte Art und Weise an die Bedingungen des jeweiligen Systems,
beispielsweise Verbrennungsmotors, anzupassen, in dem der Flüssigkeitsabscheider
eingesetzt werden soll. Denn es ist möglich, den Flüssigkeitsabscheider immer
weitestgehend identisch herzustellen und lediglich in die Halteelemente
für die Wandelemente des Verteilerraums unterschiedlich
ausgestaltete, jedoch gleiche Außenmaße aufweisende
Wandelemente einzusetzen. Beispiels weise können Wandelemente
eingesetzt werden, die eine unterschiedliche Anzahl von Gasdurchtrittsöffnungen
mit einer unterschiedlichen Anzahl von darin befindlichen Flüssigkeitsabscheideelementen
aufweisen. Durch die unterschiedliche Anzahl und Lage kann die Fraktionsabscheidegradseffizienz
leicht den Anwendungsbedürfnissen angepasst werden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheider,
der als separates Flüssigkeitsabscheideelement hergestellt,
oder auch in andere Systemkomponenten, wie beispielsweise Ventilhauben,
integriert werden kann, ist eine adaptive Flüssigkeitsabscheidung
bei unterschiedlichen Druckverhältnissen und Volumenstromverhältnissen über
den Flüssigkeitsabscheider möglich. Insbesondere
kann der Druckabfall über den Flüssigkeitsabscheider
weitgehend oder vollständig konstant gehalten werden, wodurch
der Abscheidegrad auch bei höheren Volumenströmen weitgehend
oder vollständig konstant gehalten werden kann. Damit liegt
ein geregelter Flüssigkeitsabscheider von kleinen bis großen
Volumenströmen vor, mit dem insbesondere in Kraftfahrzeugen
der Ölverbrauch minimiert werden kann. Der erfindungsgemäße
Flüssigkeitsabscheider ermöglicht also die im Stand
der Technik durch eine eigene Bypass-Leitung erzeugte Bypassfunktion
bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer Restabscheidung der Flüssigkeit
aus dem durch den Flüssigkeitsabscheider strömenden Gas
mit einfachen, kostengünstigen Mitteln.
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Es
ist dabei nicht nötig, dass sämtliche flächenhaften
Wandelemente der Wandung des Verteilerraums im jeweiligen Flüssigkeitsabscheider gleich
ausgestaltet sind. Es können auch verschieden ausgestaltete
flächenhaften Wandelemente nebeneinander eingesetzt wer den,
beispielsweise Wandelemente ohne jede Durchlass öffnung
und Wandelemente mit mindestens zwei Durchlassöffnungen
oder auch Wandelemente mit lediglich einer Durchlassöffnung.
Erfindungsgemäß müssen in der Wandung
jedoch insgesamt mindestens zwei Gasdurchtrittsöffnungen
angeordnet sein, von denen mindestens eine öffenbar und
verschließbar ist, um eine Adaptation an die jeweiligen
Druck- und Volumenstromverhältnisse zu ermöglichen.
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Sind
in der Wandung des Verteilerraums mehrere in Strömungsrichtung
des Gases innerhalb des Verteilerraumes hintereinander angeordnete Gasdurchtrittsöffnungen
vorgesehen, so können auch mehrere der Gasdurchtrittsöffnungen
mittels der Steuervorrichtung sukzessive verschließbar
oder öffenbar sein und so eine gestufte Änderung
des Strömungsquerschnittes durch die Gasdurchtrittsöffnungen
ermöglichen.
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Insbesondere
kann die vom Gaseinlass am weitesten entfernte Durchlassöffnung
mit keinem Flüssigkeitsabscheideelement versehen sein,
so dass sie bei entsprechenden Druck- und/oder Volumenstromverhältnissen
geöffnet wird und damit als Bypass um die anderen Gasdurchtrittsöffnungen,
die Flüssigkeitsabscheideelemente enthalten, dient. Es können
auch mehrere derartige als Bypass eingesetzte Gasdurchtrittsöffnungen
in der Wandung des Verteilerraums vorgesehen sein.
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In
gleicher Weise können mehrere Gasdurchtrittsöffnungen,
die Flüssigkeitsabscheideelemente enthalten, auf gleicher
Höhe bezüglich der Strömungsrichtung
des Gases in dem Verteilerraum oder auch diesbezüglich
hintereinander angeordnet vorgesehen sein. Dies ermöglicht
es, bei zunehmendem Volumenstrom zunehmende Flüssigkeitsabscheidekapazität
zur Verfügung zu stel len.
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Die
Flüssigkeitsabscheideelemente können so wie die
Flüssigkeitsabscheideelemente
20 in der Offenlegungsschrift
DE 10 2004 037 157
A1 oder der
WO
2005/084780 A1 ausgebildet sein. Auch die Wandelemente
können wie die dort dargestellten flächenförmigen
Abscheidevorrichtungen ausgebildet sein. Bezüglich der
Gestaltung der Flüssigkeitsabscheideelemente sowie der
darin beschriebenen Flüssigkeitsabscheidevorrichtungen
wird die in diesen Offenlegungsschriften gegebene Offenbarung vollständig
in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen.
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Insbesondere
können die Wandelemente der vorliegenden Erfindung wie
die Flüssigkeitsabscheidevorrichtung
10 der
DE 10 2004 037 157
A1 einen plattenförmigen Grundträger
aufweisen, in dem Flüssigkeitsabscheideelemente angeordnet
sind. Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Flüssigkeitsabscheideelemente
können wie die in der
DE 10 2004 037 157 A1 gezeigten Flüssigkeitsabscheideelemente
innerhalb der Gasdurchtrittsöffnungen mindestens ein schneckenförmiges
Segment aufweisen, dessen Schraubenfläche mit der Innenwandung
der Gasdurchtrittsöffnung einen schneckenförmigen Strömungsweg
für das Gas bildet. Das schneckenförmige Segment
kann eine Länge kleiner oder gleich dem 0,5-fachen der
Steigung des schneckenförmigen Segmentes aufweisen und
gegebenenfalls mit dem Wandelement einteilig bzw. einstückig
ausgebildet sein.
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Innerhalb
einer Gasdurchtrittsöffnung können erfindungsgemäß auch
zwei derartige schneckenförmige Segmente bzgl. der Gasdurchtrittsrichtung
hintereinander angeordnet sein, wobei vorteilhafterweise der Drehsinn
der Strömungswege in den jeweiligen hintereinan der angeordneten
schneckenförmigen Segmenten zur Minimierung des Strömungswiderstandes
gleichsinnig oder zur Verbesserung der Abscheideleistung gegensinnig
ist.
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Sind
zwei oder mehrere der schneckenförmigen Segmente bzgl.
der Gasdurchtrittsrichtung hintereinander in einer Gasdurchtrittsöffnung
angeordnet, so kann die auslassseitige Kante der Schraubenfläche
des im Strömungsweg vorderen schneckenförmigen
Elementes und die einlassseitige Kante der Schraubenfläche
des in der gleichen Gasdurchtrittsöffnung befindlichen
unmittelbar folgenden schneckenförmigen Elementes gegeneinander
verdreht sein, vorteilhafterweise um 0°, 45°,
90° oder 135°.
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Ein
Wandelement eines Verteilerraums kann nicht nur aus einem Grundträger
mit darin enthaltenen Gasdurchtrittsöffnungen bestehen,
sondern auch aus zwei oder mehreren Grundträgern zusammengesetzt
sein, die beispielsweise flächig und insbesondere formschlüssig
aufeinander angeordnet bzw. miteinander verbunden sind. Zwei oder
mehrere Grundträger können hierzu miteinander
verklebt, verschraubt und/oder verrastet sein.
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Die
Steuervorrichtung zum Öffnen und Verschließen
einzelner Gasdurchtrittsöffnungen weist vorteilhafterweise
einen Steuerkolben auf. Dieser ist derart beweglich gelagert, dass
er innerhalb des Verteilerraums sich in bzw. gegen die Richtung
der Gasströmung innerhalb des Verteilerraums bewegen kann.
Vorteilhafterweise schließt er bündig mit den Wandelementen
ab und bildet so die hintere Wand des Verteilerraums. Wird er entlang
der Wandelemente gegen die Gasströmungsrichtung in dem
Verteilerraum bewegt, so ver kleinert er den Verteilerraum und verschließt
dabei seitlich in den Wandelementen befindliche Gasdurchtrittsöffnungen.
Auf dem Weg zurück werden die Gasdurchtrittsöffnungen wiederum
geöffnet und für den Gasdurchtritt freigegeben.
Hierdurch wird ein geregeltes System zur Verfügung gestellt,
bei dem die Zahl und damit der Gesamtquerschnitt der Gasdurchtrittsöffnungen
in Abhängigkeit von den Druck- und/oder Volumenstromverhältnissen
bestimmt wird.
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Der
Steuerkolben ist vorteilhafterweise auf einer Feder gelagert, die
dem Druck in dem Verteilerraum entgegen wirkt. Mittels dieser Feder
wird die Bewegungscharakteristik und Druckabhängigkeit des
Steuerkolbens festgelegt. Insbesondere ist eine Steuerung des Steuerkolbens
dahingehend vorteilhaft, wenn die Kraft-Weg-Kurve beim Zusammendrücken
abfällt, die Feder also beim Zusammendrücken anfänglich
gegen die Druckrichtung vorgespannt ist, um bei kleinen Volumenströmen
nur wenige Gasdurchlassöffnungen freizugeben und damit
einen ausreichenden Druckaufbau und somit eine bessere Abscheidung
bereits bei kleinen Volumenströmen zu erreichen. Desweiteren
wird die Feder progressiv mit linear endendem Auslauf ausgelegt.
Um ein degressives Verhalten des Gesamtsystems zu erhalten, kann
die Anzahl und Anordnung der zu durchströmenden Flüssigkeitsabscheideelemente
den Einsatzbedingungen angepasst werden.
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Das
erfindungsgemäße Entlüftungssystem enthält
einen Flüssigkeitsabscheider, wie er oben beschrieben ist
und kann seinerseits zwischen dem Kurbelgehäuse und dem
Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden.
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Ein
derartiger Einsatz eines erfindungsgemäßen Flüs sigkeitsabscheiders
in einem Entlüftungssystem bzw. einem Verbrennungsmotor
ist für den Fachmann ohne weiteres durchzuführen,
wie es beispielsweise auch in der
DE 10 2004 037 157 A1 bzw.
der
WO 2005/084780
A1 beschrieben ist.
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Im
Folgenden wird ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen
Flüssigkeitsabscheider gegeben.
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In
den folgenden Figuren werden für gleiche und ähnliche
Elemente gleiche und ähnliche Bezugszeichen verwendet.
Bei den in den Figuren dargestellten Ausführungsformen
treten einzelne erfindungswesentliche Merkmale einzeln oder in Kombination
miteinander auf. Die vorliegende Erfindung umfasst nicht nur derartige
Kombinationen, sondern ist auch auf einzelne Aspekte dieser Kombinationen gerichtet.
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Es
zeigen hierbei
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1 eine
Aufsicht im Querschnitt auf einen erfindungsgemäßen Ölabscheider;
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2 eine
seitliche Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen
Flüssigkeitsabscheiders;
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3 eine Explosionsansicht zweier erfindungsgemäßer Ölabscheider;
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4 Schnittdarstellungen verschiedener erfindungsgemäßer
Wandelemente, teilweise als Ausschnitte, teilweise als Vollbilder;
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5 einen
Schnitt durch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Ölabscheiders;
und
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6 den
Druckverlust in Abhängigkeit vom Volumenstrom für
verschiedene erfindungsgemäße Ölabscheider.
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1 zeigt
eine Querschnittsaufsicht auf einen erfindungsgemäßen
Flüssigkeitsabscheider, der als Ölabscheider im
Entlüftungssystem eines Verbrennungsmotors eingesetzt wird.
Dieser Ölabscheider kann als Stand-alone-Lösung,
insbesondere für Nutzfahrzeugmotoren, eingesetzt werden,
er kann jedoch auch in Ventilhauben von Motoren integriert werden.
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Der
in 1 dargestellte Ölabscheider 1 weist
ein im Querschnitt rechteckiges Gehäuse 2 auf. Mittig
in dem Gehäuse 2 ist ein Gaseinlass 3 angeordnet, über
den das Gas zugeführt wird, aus dem das Öl abgeschieden
werden soll. Die 1 stellt nun den Ölabscheider 1 in
einem Querschnitt senkrecht zur Gasströmungsrichtung in
den Gaseinlass 3 hinein dar.
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Das
außer für den Gaseinlass 3, einen Gasauslass
sowie einen Ablauf 6 für das abgeschiedene Öl
geschlossene Gehäuse 2 umschließt einen
Gehäuseinnenraum 5, von dem mittels vier Wandelementen 11a, 11b, 11c und 11d ein
Verteilerraum 10 abgetrennt wird. Die Wandelemente 11a bis 11d sind jeweils
an ihren Stoßpunkten über Halteelemente 12a, 12b, 12c, 12d miteinander
verbunden und werden durch diese Halteelemente gehalten. Die Halteelemente 12a bis 12d sind
stabförmig, wobei sie sich in Sichtrichtung auf die 1 erstrecken.
Diese Halteelemente 12a bis 12d sind an der einlassseitigen Wand
des Gehäuses 2 befestigt.
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2 zeigt
denselben Ölabscheider im Querschnitt in einer Seitenansicht.
Das Gehäuse 2 weist einander gegenüberliegend
einen Gaseinlass 3 und einen Gasaus lass 4 auf.
Die Pfeile in 2 zeigen die Richtung der Gasströmung.
Die mit „A” bezeichneten Pfeile zeigen dabei die
Gasströmungsrichtung innerhalb des Verteilerraumes 10 an.
Diese Richtung A entspricht der Richtung der Gasströmung in
dem Gaseinlass 3 bzw. an dessen Ausgang zum Verteilerraum 10 sowie
hier auch der Symmetrieachse der inneren Wandung bzgl. der Wandelemente 11a, 11b, 11c und 11d,
d. h. der Richtung senkrecht auf der Zeichnungsebene in 1.
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2 zeigt,
dass das Gehäuse 2 mit seiner dem Einlass 3 zugewandten
Seite die Bodenplatte des Verteilerraums 10 bildet, auf
dem in 2 in dem Innenraum des Gehäuses 2 sich
erstreckend zwei Wandelemente 11b und 11d angeordnet
sind. In diesen Wandelementen befinden sich Gasdurchlässe, von
denen lediglich die Gasdurchlässe 15a bis 15d mit
Bezugszeichen versehen sind. Die Gasdurchlässe 15a bis 15c weisen
Abscheideelemente 16a bis 16c auf, die aus dem
durch sie strömenden Gas Öl abscheiden. Derartige Ölabscheideelemente
können wie oben beschrieben ausgebildet sein.
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Die
mit „B” bezeichneten Pfeile in 2 zeigen
die gemittelte Gasdurchströmrichtung durch die Gasdurchlässe 15a bis 15d an,
d. h. die Richtung längs der Mittelachse der Gasdurchlässe 15a bis 15d.
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Die
dem Auslass 4 zugewandte Seite des Verteilerraums 10 ist
mittels einer Platte 13 abgeschlossen, die zugleich die
Lagerung 19 für einen Steuerkolben 17 bildet.
Dieser Steuerkolben 17 mit einem Stempel 17a und
einem Stiel 17b ist in Gasströmungsrichtung der
Pfeile A beweglich gelagert. Der Stempel 17a schließt
mit den Wandelementen 11b und 11d und in nicht
dargestellter Weise auch mit den Wandelementen 11a und 11c dichtend
ab. Wird der Steuerkolben 17 nun in dem Verteilerraum 10 in Richtung
der Pfeile A hin und her bewegt, so wird der Verteilerraum 10 verkleinert
bzw. vergrößert und damit werden einzelne Gasdurchtrittsöffnungen 15b bis 15d geschlossen
oder geöffnet. Der Steuerkolben 17 ist dabei mit
seiner Kolbenstange 17b so gelagert, dass er sich maximal
so weit in Richtung gegen die Richtung der Pfeile A bewegen kann,
dass zumindest eine Gasdurchtrittsöffnung, beispielsweise
die Gasdurchtrittsöffnung 15a, nicht verschlossen
wird.
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Bei
geringem Druckunterschied zwischen Einlass 3 und Auslass 4 bzw.
geringem Volumenstrom fließt daher der gesamte Volumenstrom
durch diese nicht verschlossene Öffnung 15a, wobei
dort dann in dem Ölabscheideelement 16a das in
dem Gas transportierte Öl abgeschieden wird. Bei zunehmendem
Druckunterschied zwischen dem Verteilerraum 10 und dem
Gasauslass 4 bzw. dem davon abgetrennten Teil des Innenraumes 5 des
Gehäuses 2 wird durch den Druckunterschied der
Steuerkolben 17 in Richtung des Auslasses 4 bewegt
und gibt damit weitere Gasdurchlässe 15b, 15c und
zuletzt auch den Gasdurchlass 15d frei. Soweit die anderen
Wandelemente 11a, 11c und 11d gleich
wie das Wandelement 11b aufgebaut sind, gilt dies in entsprechender
Weise auch für diese Wandelemente.
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Durch
diese Öffnung zusätzlicher Gasdurchtrittsöffnungen 15b und 15c wird
der Querschnitt der Gasdurchtrittsöffnungen in der Summe
vergrößert und dadurch der Druckabfall über
die Gasdurchtrittsöffnungen verringert. Damit kann auch
bei größerem Volumenstrom dieser vollständig über Ölabscheideelemente
geleitet werden. Bei extrem großen Volumenströmen,
bei denen herkömmlicherweise ein Bypass-Ventil geöffnet
wird, wird bei dem erfindungsgemäßen Ölabscheider
der 1 und der 2 die Gasdurchtrittsöffnung 15d freigegeben.
Diese enthält kein Ölabscheideelement und wirkt
daher als Bypass für die Gasdurchtrittsöffnungen 15a bis 15c.
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Das
Steuerelement mit dem Steuerkolben 17 und dem Stempel 17a ist
mittels einer Feder 18 auf der Lagerung 19 abgestützt.
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Vorteilhafterweise
besitzt diese Feder eine optimal auf die jeweiligen Anforderungen
des Ölabscheiders abgestimmte Kennlinie. Damit kann ein
optimaler Abscheidegrad und optimaler Druckverlust unter allen Betriebsbedingungen über
den gesamten Ölabscheider eingestellt werden. Vorteilhafterweise besitzt
die Feder eine Vorspannung. Einem darauf folgenden progressiven
Verlauf schließt sich ein linearer Auslauf an, der den
idealen Betriebspunkt bestimmt. Der bevorzugte Federratenbereich
liegt zwischen 0,02 und 0,1 N/mm. Durch die Anzahl der Gasdurchtrittsöffnungen
kann die Druckverlustkurve einen abschnittsweise degressiven Verlauf
annehmen an den sich ein annähernd linearer Verlauf anschließt.
Dies gewährleistet eine effiziente Abscheidung.
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3 zeigt in den Teilfiguren 3A und 3B jeweils
eine Explosionszeichnung eines erfindungsgemäßen Ölabscheiders.
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In 3A sind
die Halteelemente 12 zu erkennen, die eine Längsnut
aufweisen, in die die flächenhaften und in diesem Beispiel
ebenen rechteckigen gleichartigen Wandelemente 11a bis 11d eingeschoben
werden können. In 3 sind
die Wandelemente 11a, 11b und 11d dargestellt.
In der hier gezeigten Aufsicht auf das Wandelement 11a ist
eine Vielzahl von Gasdurchtrittsöffnungen 15a bis 15d dargestellt,
wobei die zum Einlass 3 orientieren Gasdurchtrittsöffnungen
jeweils Flüssigkeitsabscheideelemente 16a, 16b, 16c enthalten
und lediglich die längliche Gasdurchtrittsöffnung 15d,
die zum Auslass 4 orientiert ist, als Bypass kein Flüssigkeitsabscheideelement
aufweist.
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Wie
in 3A zu erkennen ist, können in Gasströmungsrichtung
A nicht nur mehrere Gasdurchtrittsöffnungen hintereinander,
in vorliegendem Beispiel bis zu drei Gasdurchtrittsöffnungen,
angeordnet werden, sondern auch mehrere, im vorliegenden Beispiel
1, 3 oder 5 Gasdurchtrittsöffnungen nebeneinander vorgesehen
sein.
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3B zeigt
einen ähnlichen Ölabscheider wie in 3A in
Explosionsdarstellung, wobei bei diesem lediglich andere Wandelemente 11a, 11b, 11c (nicht
dargestellt) und 11d verwendet werden. Am Beispiel des
Wandelements 11a ist zu erkennen, dass in Richtung A der
Gasströmung vier Reihen Gasdurchtrittsöffnungen 15a, 15b, 15c und 15d hintereinander
angeordnet sind. Die erste Reihe der Gasdurchtrittsöffnungen
umfasst insgesamt fünf bezüglich der Richtung
A nebeneinander angeordnete Gasdurchtrittsöffnungen. Dies
gilt auch für die zweite Reihe Gasdurchtrittsöffnungen 15b sowie
für die dritte Reihe Gasdurchtrittsöffnungen 15c.
Sämtliche dieser Gasdurchtrittsöffnungen 15a, 15b und 15c sind mit Ölabscheideelementen 16a, 16b und 16c versehen.
Die vierte Reihe Gasdurchtrittsöffnungen 15d enthält
für jedes der Wandelemente 11a bis 11d ein quer
zur Richtung A länglich ausgestaltete Gasdurchtrittsöffnung 15d,
die kein Ölabscheideelement enthält. Diese Öffnungen 15d dienen
als Bypass im Fall von hohen Volumenströmen, wie oben beschrieben.
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Die 4A bis 4F zeigen
nun unterschiedliche Ausgestaltungen der Wandelemente 11a bis 11e sowie
deren Halteelement oder Eckverbinder 12a bis 12e.
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4A zeigt
einen Ausschnitt eines Schnitts durch eine rechteckige Anordnung
von insgesamt vier Wandelementen 11a bis 11d,
wobei hier lediglich ein Eckverbinder 12a mit den benachbarten
Wandelementen 11a und 11b gezeigt ist. Es ist
zu erkennen, dass der Eckverbinder an seinen zu den Wandelementen 11a und 11b orientierten
Seiten eine Nut aufweist, in die eine Feder der Wandelemente 11a, 11b eingreift.
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In 4B ist
eine weitere Ausgestaltung des Verteilerraums dargestellt, bei der
flächenhafte, jedoch gerundete Wandelemente 11a bis 11b verwendet
werden. Als Halteelement 12a werden Klammerelemente verwendet,
die in entsprechende Aussparungen der Wandelemente 11a und 11b eingreifen. Wiederum
ist nur ein Ausschnitt gezeigt, das komplette Teil entsteht bei
Hinzufügung einer Spiegelung entlang der punktgestrichelten
Linie. Die Wandelemente 11a und 11b haben also
jeweils einen halbkreisförmigen Querschnitt und umfassen
in der gezeigten Schnittebene jeweils drei Ölabscheideelemente.
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In 4C ist
der Aufbau eines fünfseitigen Verteilerraums dargestellt,
wobei hier insgesamt fünf Wandelemente 11a bis 11e über
Halteelemente bzw. Eckverbinder 12a bis 12e miteinander
verbunden werden. Wiederum weisen die Eckverbinder 12a bis 12e Nuten
auf, in die Federn an den Wandelementen 11a bis 11e eingreifen.
Dies ermöglicht es in gleicher Weise wie in 4A,
die Wandelemente 11a bis 11e zwischen die am Gehäuse
feststehend angeordneten Eckverbinder 12a bis 12e einzuschieben.
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4D zeigt
eine weitere Anordnung wie in 4B mit
flächenhaften halbrunden Wandelementen 11a und 11b,
wobei diese nunmehr über eine Nut-und-Feder-Verbindung
mit Hinterschnitt direkt miteinander verbunden sind.
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4E zeigt
wiederum eine rechteckige Ausgestaltung des Verteilerraums wie in 4A,
hier ist allerdings die Hälfte des Ausführungsbeispiels dargestellt.
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Auch
die 4F zeigt eine Ausgestaltung des Verteilerraums
mittels flächenhaften Wandelementen 11a bis 11c,
die über Eckverbinder 12a bis 12c miteinander
verbunden sind. Auch hier erfolgt wieder die Befestigung der Wandelemente 11a bis 11c an
den Eckverbindern 12a bis 12c über eine Nut-Feder-Verbindung. 4F zeigt
insgesamt eine dreiseitige Ausgestaltung des Verteilerraums.
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5 zeigt
eine weitere mögliche Ausgestaltung des Bereichs zwischen
einem Wandelement 11 und der Gehäusewand des Gehäuses 2.
Das Abscheideelement weist dabei Gasdurchlässe 15a, 15b und 15c auf,
die jeweils mit Ölabscheideelementen 16a, 16b bzw. 16c versehen
sind. Das Wandelement 11 kann dabei in einer der in den
vorhergehenden Figuren dargestellten Weise ausgestaltet bzw. angeordnet
und in einer dort dargestellten Weise in einem Ölabscheider
eingesetzt werden.
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In
der 5 ist auf der dem Wandelement 11 zugewandten
Seite des Gehäuses 2 ein Vlies unmittelbar den
Gasdurchlässen 15a, 15b und 15c gegenüber
angebracht. Das durch die Gasdurchlässe 15a bis 15c durchströmende
Gas trifft nun auf das Vlies 20, in dem eine weitere Ölabscheidung
stattfinden kann. Das insgesamt abgeschiedene Öl fließt
anschließend durch einen Ölauslass 6,
wie er in den 1 bis 3 dargestellt
ist, aus dem Ölabscheider 1 ab.
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6 zeigt
nun die Abhängigkeit der Druckdifferenz über einen
erfindungsgemäßen Ölabscheider (Druckabfall)
von dem über den Ölabscheider strömenden
Volumenstrom. Dabei wurden die entsprechenden Kennlinien eines Ölabscheiders
mit einer nicht vorgespannten Feder 18 (siehe 1 bis 3) mit linearer Kennlinie (durchgezogene
Linie), mit einer entsprechenden vorgespannten Feder mit linearer
Kennlinie (gestrichelte Linie), eines Ölabscheiders ganz
ohne Feder (strich-punktierte Linie) sowie eines optimierten Ölabscheiders
mit einer Feder mit progressivem Kennlinienverlauf (strich-doppelgepunktete
Linie) bestimmt.
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6 ist
zu entnehmen, dass bei einer nicht vorgespannten Feder mit linearer
Kennlinie die über den Ölabscheider anliegende
Druckdifferenz proportional zum Volumenstrom ansteigt.
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Ist
die Feder zusätzlich vorgespannt (6 zeigt
zwei identisch gestrichelte Kurven mit unterschiedlicher Vorspannung),
so tritt bereits bei geringem Volumenstrom eine rasche Erhöhung
auf einen bestimmten Druckabfall ein, bevor dann der Druckabfall
parallel zur vorbeschriebenen, nicht vorgespannten Feder mit linearer
Kennlinie mit dem Volumenstrom ansteigt. 6 enthält
zwei Kurven für eine derartige vorgespannte Feder mit linearer
Kennlinie, wobei eine Kurve mit geringerer Vorspannung (untere Kurve)
und eine weitere Kurve mit höherer Vorspannung (obere Kurve)
bestimmt wurde.
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Im
Falle eines Ölabscheiders ganz ohne Feder nimmt die Druckdifferenz über
die Ölabscheideelemente in den Gasdurchtrittsöffnungen
quadratisch mit dem Volumenstrom zu (parabelförmig).
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Wird
eine Feder mit progressivem Kennlinienverlauf eingesetzt, so steigt
die Druckdifferenz bei geringem Volumenstrom mit zunehmendem Volumenstrom
rasch an, wobei die Steigung der Kurve mit zunehmendem Volumenstrom
abnimmt. Dadurch ist es möglich, die Druckdifferenz, d.
h. den Druckabfall über den Ölabscheider einerseits
bei niedrigen Volumenströmen rasch zu erhöhen
und einen guten Ölabscheidegrad zu bewirken und andererseits
den Druckabfall bei hohen Volumenströmen zu beschränken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10309278
A1 [0008]
- - EP 1644124 A1 [0009]
- - DE 102004037157 A1 [0031, 0032, 0032, 0039]
- - WO 2005/084780 A1 [0031, 0039]