DE102010022483B4 - Shaft, in particular camshaft - Google Patents
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Abstract
Welle, insbesondere Nockenwelle (1), mit einer in einem hohlen Wellenabschnitt integrierten Ölabscheidevorrichtung, wobei an einer Ausgangsseite (5) der Ölabscheidevorrichtung ein erster Druck (p1) vorliegt und wobei an einer Eingangsseite (4) der Ölabscheidevorrichtung ein zweiter Druck (p2) vorliegt, gekennzeichnet durch einen mehrgängigen, drehfest mit dem hohlen Wellenabschnitt verbundenen Schneckenkörper (2) als Ölabscheidevorrichtung und durch ein Absperrorgan (6, 6'), welches an der Eingangsseite (4) den Zugang zu zumindest einem Schneckengang (3b, 3c) des mehrgängigen Schneckenkörpers (2) abhängig von der Druckdifferenz (Δp) zwischen dem zweiten Druck (p2) und dem ersten Druck (p1) freigibt oder verschließt.Shaft, in particular camshaft (1), with an oil separation device integrated in a hollow shaft section, a first pressure (p1) being present on an outlet side (5) of the oil separation device and a second pressure (p2) being present on an inlet side (4) of the oil separation device characterized by a multi-speed, non-rotatably connected to the hollow shaft portion screw body (2) as Ölabscheidevorrichtung and by a shut-off (6, 6 '), which at the input side (4) access to at least one screw thread (3b, 3c) of the multi-flighted screw body (2) Releases or closes depending on the pressure difference (Δp) between the second pressure (p2) and the first pressure (p1).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Welle, insbesondere eine Nockenwelle, mit einer in einem hohlen Wellenabschnitt integrierten Ölabscheidevorrichtung, wobei an einer Ausgangsseite der Ölabscheidevorrichtung ein erster Druck vorliegt und wobei an einer Eingangsseite der Ölabscheidevorrichtung ein zweiter Druck vorliegt.The present invention relates to a shaft, in particular a camshaft, with an integrated in a hollow shaft portion Ölabscheidevorrichtung, wherein at an output side of the Ölabscheidevorrichtung a first pressure and wherein there is a second pressure on an input side of the Ölabscheidevorrichtung.
Bei Verbrennungsmotoren und Kolbenverdichtem werden in der Praxis Leckageverluste beobachtet, die auf eine nicht vollständige Abdichtung zurückzuführen sind. Diese Leckageverluste werden als Blowby-Gas bezeichnet und enthalten einen erheblichen Anteil an Öl. Bezogen auf Verbrennungsmotoren ist es deshalb üblich das an der Nockenwelle anfallende Blowby-Gas zurück in den Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu leiten. Um einerseits den Verlust an Öl durch Blowby-Gas zu minimieren und andererseits eine optimale Verbrennung und eine minimale Umweltbelastung zu gewährleisten, ist es bekannt das Blowby-Gas einer Ölabscheidung zu unterziehen und das abgeschiedene Öl zurück in den Ölkreiskauf zu führen. Dabei besteht das Bestreben entsprechende Ölabscheidesysteme möglichst einfach aber dennoch zuverlässig auszugestalten.In internal combustion engines and piston compressors leakage losses are observed in practice, which are due to an incomplete seal. These leakage losses are referred to as blowby gas and contain a significant amount of oil. Related to internal combustion engines, it is therefore common to pass the blow-by gas accumulating on the camshaft back into the intake tract of the internal combustion engine. On the one hand to minimize the loss of oil by blow-by gas and on the other hand to ensure optimum combustion and a minimum environmental impact, it is known to subject the blowby gas oil separation and to lead the separated oil back into the oil circuit. There is a desire to appropriate oil separation systems as simple as possible but still reliable design.
Eine Welle mit den eingangs beschriebenen Merkmalen ist aus der
Des Weiteren sind Ölabscheider bekannt, die außerhalb der Welle, das heißt außerhalb einer Zylinderkopfhaube mit einer darin angeordneten Nockenwelle montiert sind. Derartige, beispielsweise in der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Welle mit einer in einem hohlen Wellenabschnitt integrierten Ölabscheidevorrichtung anzugeben, die eine verbesserte Abscheideleistung aufweist und insbesondere eine variable Anpassung an niedrige und hohe Volumenströme ermöglicht.The invention has for its object to provide a shaft with an integrated in a hollow shaft portion oil separation device, which has an improved separation efficiency and in particular allows variable adaptation to low and high volume flows.
Lösung der Aufgabe und Gegenstand der Erfindung ist eine Welle, insbesondere Nockenwelle, mit einer in einem hohlen Wellenabschnitt integrierten Ölabscheidevorrichtung, wobei an einer Ausgangsseite der Ölabscheidevorrichtung ein erster Druck vorliegt, wobei an einer Eingangsseite der Ölabscheidevorrichtung ein zweiter Druck vorliegt und wobei die Welle durch einen mehrgängigen, drehfest mit dem hohlen Wellenabschnitt verbundenen Schneckenkörper als Ölabscheidevorrichtung und ein Absperrorgan, welches an der Eingangsseite den Zugang zu zumindest einem Schneckengang des mehrgängigen Schneckenkörpers abhängig von der Druckdifferenz zwischen dem zweiten Druck und dem ersten Druck freigibt oder verschließt, gekennzeichnet ist.Solution of the object and the subject of the invention is a shaft, in particular camshaft, with an integrated in a hollow shaft portion Ölabscheidevorrichtung, wherein on an output side of the Ölabscheidevorrichtung a first pressure is present at an input side of the Ölabscheidevorrichtung a second pressure and wherein the shaft by a mehrgängigen, non-rotatably connected to the hollow shaft portion associated screw body as Ölabscheidevorrichtung and a shut-off device, which on the input side access to at least one flight of the multi-flighted screw body depending on the pressure difference between the second pressure and the first pressure releases or closes is characterized.
Die Erfindung offenbart damit eine Welle mit einer integrierten Ölabscheidevorrichtung, die abhängig von dem Differenzdruck zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite, das heißt abhängig von dem Volumenstrom in Stufen schaltbar ist. Während gemäß dem Stand der Technik eine feste Geometrie vorgesehen ist, welche für verschiedene Volumenströme und dabei auftretende Druckdifferenzen ein Kompromiss darstellt, ermöglicht die erfindungsgemäße Welle über einen breiten Bereich des Volumenstroms des Blowby-Gases eine gute Abscheideleistung der Ölabscheidevorrichtung bei einer gleichzeitig begrenzten Druckverlustzunahme.The invention thus discloses a shaft with an integrated oil separation device, which is switchable depending on the differential pressure between the input side and output side, that is, depending on the volume flow in stages. While according to the prior art, a fixed geometry is provided which represents a compromise for different volume flows and pressure differences occurring, the shaft of the invention over a wide range of the volume flow of the blow-by gas allows a good separation of the Ölabscheidevorrichtung with a simultaneously limited increase in pressure drop.
Die in den hohlen Wellenabschnitt integrierte Ölabscheidevorrichtung ist als mehrgängiger, drehfest mit dem hohlen Wellenabschnitt verbundener Schneckenkörper ausgebildet, wobei die einzelnen Schneckengänge bezogen auf die Strömungsrichtung des Blowby-Gases parallel zueinander verlaufen. Die Abscheidung erfolgt durch Zentrifugalkräfte, wobei zweckmäßigerweise die in axialer Richtung gemessene Breite der Schneckengänge in Richtung der Ausgangsseite abnimmt, was einer abnehmenden Steigung der einzelnen Schneckengänge entspricht. Dabei ist zu berücksichtigen, dass zur Erzeugung der für eine effektive Ölabscheidung notwendigen Zentrifugalkraft eine gewisse Strömungsgeschwindigkeit und entsprechend ein gewisser Differenzdruck vorhanden sein soll. Um bei einem geringen Volumenstrom an Blowby-Gas den gewünschten Druck aufrecht zu erhalten, lehrt die Erfindung dann einen kleinen Strömungsquerschnitt dadurch bereit zu stellen, dass lediglich der Zugang zu einem der mehreren Schneckengänge geöffnet ist. Die Abscheidung durch einen der Schneckengänge kann dabei auf eine Druckdifferenz und eine entsprechende Strömungsgeschwindigkeit optimiert werden, welche bereits bei einem kleinen Volumenstrom auftreten.The integrated in the hollow shaft portion oil separation device is designed as mehrgängiger, non-rotatably connected to the hollow shaft portion of the screw body, wherein the individual screw passages relative to the flow direction of the blow-by gas parallel to each other. The deposition takes place by centrifugal forces, wherein expediently the measured width in the axial direction of the screw flights decreases in the direction of the output side, which corresponds to a decreasing slope of the individual screw flights. It should be noted that to generate the necessary for effective oil separation centrifugal force a certain flow velocity and corresponding to a certain differential pressure should be present. In order to maintain the desired pressure at a low volume flow of blowby gas, the invention then teaches to provide a small flow cross-section by merely having access to one of the multiple flights open. The deposition by one of the screw flights can be optimized to a pressure difference and a corresponding flow velocity, which already occur at a small volume flow.
Um bei der Zunahme des Volumenstroms übermäßige Druckverluste zu vermeiden, lehrt die Erfindung dann den Strömungsquerschnitt zu vergrößern, indem ein weiterer Schneckengang oder weitere Schneckengänge freigegeben werden. So ist zweckmäßigerweise zumindest der Zugang zu einem der Schneckengänge unterhalb einer vorgegebenen Druckdifferenz geschlossen und wird bei Überschreiten der vorgegebenen Druckdifferenz von dem Absperrorgan freigegeben.In order to avoid excessive pressure losses with the increase of the volume flow, the invention then teaches to increase the flow cross-section by releasing a further flight or further flights. Thus, expediently, at least access to one of the flights below a predetermined pressure difference is closed and is at Exceeding the predetermined pressure difference released by the obturator.
Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der der Schneckenkörper zumindest drei Schneckengänge aufweist, wobei ein zweiter und eine dritter Schneckengang mit zunehmender Druckdifferenz sequenziell von dem Absperrorgan freigegeben werden.Preferred is an embodiment in which the screw body has at least three flights, wherein a second and a third screw with increasing pressure difference are released sequentially from the obturator.
Wie nachfolgend weiter erläutert, kann das Absperrorgan als Schieber, Bolzen oder dergleichen ausgeführt sein, wobei das Absperrorgan durch die wirkende Druckdifferenz beispielsweise gegen die Kraft einer Feder zugestellt wird. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass bei der sequenziellen Freigabe weiterer Schneckengänge die entsprechenden Zugänge jeweils erst nur teilweise und bei einem weiteren Hub schließlich vollständig geöffnet werden. Üblicherweise ist vorgesehen, dass bei einer großen Druckdifferenz zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite in einer Endstellung des Absperrorgans sämtliche Schneckengänge geöffnet sind, um einen maximalen Strömungsquerschnitt für die Ölabscheidung bereit zu stellen.As further explained below, the obturator can be designed as a slide, bolt or the like, wherein the obturator is delivered by the acting pressure difference, for example, against the force of a spring. In particular, it can be provided that, in the sequential release of further flights, the corresponding accesses are only partially opened in each case and finally completely opened in the case of a further stroke. Usually, it is provided that in a large pressure difference between the input side and the output side in an end position of the obturator all screw threads are opened in order to provide a maximum flow cross-section for oil separation.
Da bereits bei kleinen Volumenströmen eine Abscheidung von Öl aus dem Blowby-Gas erfolgen soll, ist der Zugang zu einem ersten Schneckengang gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung stets nicht vollständig verschlossen. Im Rahmen der Erfindung liegen dabei Ausgestaltungen, bei denen der Zugang zu dem ersten Schneckengang bei einer geringen Druckdifferenz in einer ersten Endposition des Absperrorgans vollständig geöffnet ist oder durch das Absperrorgan zum Teil verdeckt und damit teilweise verschlossen ist, um eine weitere Reduzierung des Strömungsquerschnittes bzw. bei besonders kleinen Volumenströmen einer Erhöhung des Differenzdruckes zu bewirken.Since a separation of oil from the blow-by gas is to take place even at low volume flows, the access to a first flight is always not completely closed according to a preferred embodiment of the invention. In the context of the invention are embodiments in which the access to the first screw is completely opened at a small pressure difference in a first end position of the obturator or partially obscured by the obturator and thus partially closed, to further reduce the flow cross-section or to cause an increase in the differential pressure at particularly small volume flows.
Um sehr große Volumenströme an Blowby-Gas abführen zu können, die beispielsweise bei großen Belastungen des Verbrennungsmotors oder bei einem Defekt des Verbrennungsmotors auftreten können, kann unabhängig von den Schneckengängen auch ein weiterer Strömungspfad vorgesehen werden, der parallel zu den Schneckengängen verläuft und an der Eingangsseite mit einem Blowby-Ventil versehen ist.In order to dissipate very large volume flows of blow-by gas, which may occur, for example, at high loads on the engine or a defect in the engine, regardless of the screw flights, a further flow path can be provided which is parallel to the flights and on the input side provided with a blow-by valve.
Damit das Absperrorgan abhängig von der Druckdifferenz zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite der Ölabscheidevorrichtung verstellt wird, muss an einer Seite des Absperrorgans der erste Druck und an der anderen Seite des Absperrorgans der zweite Druck wirken. Insbesondere kann der Schneckenkörper einen Kanal, vorzugsweise einen zentralen Kanal, aufweisen, der eine Seite des Absperrorgans mit der Ausgangsseite der Ölabscheidevorrichtung verbindet. Im Rahmen einer solchen Ausgestaltung kann das Absperrorgan auch das zuvor beschriebene Bypass-Ventil aufweisen, welches von der Eingangsseite der Ölabscheidevorrichtung in den Kanal mündet und so bei dem Überschreiten einer maximalen Druckdifferenz die Eingangsseite direkt mit der Ausgangsseite verbindet.Thus, the obturator is adjusted depending on the pressure difference between the input side and output side of the Ölabscheidevorrichtung must act on one side of the obturator, the first pressure and on the other side of the obturator of the second pressure. In particular, the screw body can have a channel, preferably a central channel, which connects one side of the obturator to the outlet side of the oil separation device. In the context of such an embodiment, the obturator can also have the bypass valve described above, which opens from the input side of the oil separation in the channel and thus connects the input side directly to the output side when exceeding a maximum pressure difference.
Für die weitere Ausgestaltung des Schneckenkörpers und des Absperrorgans ergeben sich im Rahmen der Erfindung unterschiedliche Möglichkeiten. Gemäß einer ersten weiteren Ausgestaltung ist das Absperrorgan in einem zur Eingangsseite der Ölabscheidevorrichtung offenen Aufnahmeraum des Schneckenkörpers angeordnet, wobei die Schneckengänge jeweils durch eine Öffnung mit dem Aufnahmeraum verbunden sind. Durch eine Längsverschiebung des Absperrorgans in dem Aufnahmekörper werden die Öffnungen zu den einzelnen Schneckengängen nacheinander freigegeben, wobei, wie zuvor beschrieben, bevorzugt der erste Schneckengang in jeder Stellung des Absperrorgans vorzugsweise zumindest nicht vollständig geschlossen ist.For the further embodiment of the screw body and the obturator arise within the scope of the invention, various possibilities. According to a first further embodiment, the obturator is arranged in a receiving space of the worm body which is open towards the inlet side of the oil separation device, wherein the worm passages are each connected to the receiving space through an opening. By a longitudinal displacement of the obturator in the receiving body, the openings to the individual flights are successively released, wherein, as described above, preferably the first flight in each position of the obturator is preferably not completely closed at least.
Um die einzelnen Öffnungen freigeben zu können, sind grundsätzlich unterschiedliche Maßnahmen möglich. So können die in den Aufnahmeraum mündenden Öffnungen beispielsweise entlang einer Umfangslinie des Aufnahmeraums angeordnet sein, wobei dann das Absperrorgan an seinem der Eingangsseite zugewandten Ende unterschiedlich tiefe, den einzelnen Öffnungen zugeordnete Rücksprünge aufweist. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Öffnungen für die verschiedenen Schneckengänge in Längsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, wobei das Absperrorgan als einfacher Innenbolzen ausgeführt ist. Eine solche Ausgestaltung zeichnet sich durch eine besonders einfache Konstruktion aus, wobei die Integration des Absperrorgans in den Schneckenkörper eine Minimierung des Bauraumes ermöglicht. Mit einer Ausgestaltung des Absperrorgans als in Längsrichtung verschiebbaren Innenbolzen können auch ohne Weiteres mehr als drei Schneckengänge geöffnet und geschlossen werden, wobei der Innenbolzen auch eine einfache Integration eines Bypass-Ventils ermöglicht.To be able to release the individual openings, fundamentally different measures are possible. Thus, the opening into the receiving space openings may for example be arranged along a circumferential line of the receiving space, in which case the obturator has at its input side facing the end of different depth, the individual openings associated recesses. According to a preferred embodiment of the invention, however, it is provided that the openings for the different screw flights are arranged offset from each other in the longitudinal direction, wherein the obturator is designed as a simple inner bolt. Such an embodiment is characterized by a particularly simple construction, wherein the integration of the obturator in the screw body allows a minimization of the installation space. With an embodiment of the obturator as longitudinally displaceable inner bolt more than three flights can be opened and closed easily, the inner bolt also allows easy integration of a bypass valve.
Die Bewegung des Innenbolzens ist üblicherweise durch Anschläge begrenzt, wodurch der Innenbolzen gleichzeitig gegen ein Herausfallen gesichert ist. Anschläge können beispielsweise durch Stufen innerhalb des Aufnahmeraumes, Ringe, Schrauben oder dergleichen gebildet werden. Wenn der Innenbolzen bei der Herstellung der Welle von der Eingangsseite des Schneckenkörpers montiert wird, bietet es sich an den Bewegungsbereich des Bolzens in Richtung der Ausgangsseite durch eine Stufe und in Richtung der Eingangsseite durch ein separates Element in Form eines Ringes oder einer Schraube zu begrenzen.The movement of the inner bolt is usually limited by stops, whereby the inner bolt is simultaneously secured against falling out. Stops can be formed for example by steps within the receiving space, rings, screws or the like. When the inner bolt is assembled from the input side of the worm body in the manufacture of the shaft, it is appropriate to limit the movement range of the bolt toward the output side by a step and toward the input side by a separate element in the form of a ring or a screw.
Bei der beschriebenen Ausgestaltung des Absperrorgans als Innenbolzen muss eine genaue Passung eingehalten werden, welche einerseits eine dauerhafte Beweglichkeit des Innenbolzens ermöglicht und andererseits eine ausreichende Abdichtung des Bolzens gegenüber dem Aufnahmeraum gewährleistet. In the described embodiment of the obturator as an inner bolt an exact fit must be maintained, which on the one hand allows permanent mobility of the inner bolt and on the other hand ensures adequate sealing of the bolt relative to the receiving space.
Während gemäß der beschriebenen Ausgestaltung der hohle Wellenabschnitt einen Einlass oder mehrere Einlässe aufweist, um einerseits das Absperrorgan mit dem zweiten Druck zu beaufschlagen und andererseits das Blowby-Gas zu dem Schneckenkörper zu leiten, kann der hohle Wellenabschnitt gemäß einer alternativen Ausgestaltung radiale Öffnungen aufweisen, die jeweils direkt einem der Schneckengänge zugeordnet sind, wobei dann das Absperrorgan als Schieberhülse ausgebildet ist, um den direkten Eintritt des Blowby-Gases in die einzelnen Schneckengänge druckabhängig zu steuern. Um das als Schieberhülse ausgebildete Absperrorgan dann mit dem eingangsseitigen zweiten Druck zu beaufschlagen ist in der Regel eine zusätzliche Öffnungen in dem hohlen Wellenabschnitt vorzusehen.While according to the described embodiment, the hollow shaft portion has an inlet or a plurality of inlets, on the one hand to act on the obturator with the second pressure and on the other hand to direct the blowby gas to the screw body, the hollow shaft portion according to an alternative embodiment may have radial openings which are each assigned directly to one of the flights, in which case the obturator is designed as a slide sleeve to control the direct entry of the blow-by gas into the individual screw flights pressure-dependent. In order to then act on the input side second pressure designed as a slide sleeve obturator is to provide an additional openings in the hollow shaft portion in the rule.
Bei der beschriebenen Ausgestaltung des Absperrorgans als Schieberhülse ist diese vorzugsweise drehfest auf dem Schneckenkörper angeordnet und mit Durchbrechungen versehen, die den radialen Öffnungen des hohlen Wellenabschnittes zugeordnet sind, um abhängig von der Druckdifferenz die einzelnen Schneckengänge sequenziell freizugeben. Insbesondere können die radialen Öffnungen des hohlen Wellenabschnittes die Form von Bohrungen aufweisen und entlang einer Umfangslinie des hohlen Wellenabschnittes angeordnet sein, wobei zumindest ein Teil der Durchbrechungen der Schieberhülse die Form von Langlöchern aufweist, die sich in Längsrichtung der Welle erstrecken. Bei der Anordnung der radialen Öffnungen des hohlen Wellenabschnittes entlang einer Umfangslinie ergibt sich der Vorteil, dass sämtliche Schneckengänge zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite die gleiche zur Ölabscheidung nutzbare Länge aufweisen.In the described embodiment of the obturator as a sliding sleeve this is preferably arranged rotationally fixed on the worm body and provided with openings which are associated with the radial openings of the hollow shaft portion to release depending on the pressure difference, the individual worm gears sequentially. In particular, the radial openings of the hollow shaft portion may be in the form of bores and arranged along a circumferential line of the hollow shaft portion, wherein at least a part of the openings of the sliding sleeve in the form of elongated holes extending in the longitudinal direction of the shaft. In the arrangement of the radial openings of the hollow shaft portion along a circumferential line, there is the advantage that all worm threads between the input side and the output side have the same usable for oil separation length.
Auch bei einer Ausgestaltung des Absperrorgans als Schieberhülse kann auf besonders einfache Weise eine Kraftabstützung durch eine Feder erfolgen, wobei auch die Schieberhülse eine Integration eines Bypass-Ventils ermöglicht.Even with an embodiment of the obturator as a sliding sleeve can be done in a particularly simple manner, a force support by a spring, wherein the sliding sleeve allows integration of a bypass valve.
Die Welle weist erfindungsgemäß zumindest einen hohlen Wellenabschnitt zur Aufnahme des Schneckenkörpers aus. Der hohle Wellenaschnitt kann dabei insbesondere im Bereich einer durchgehend hohlen Welle sein.According to the invention, the shaft has at least one hollow shaft section for receiving the worm body. The hollow wave cut can be in particular in the area of a hollow shaft.
Der Erfindung wird im Folgenden anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below with reference to a drawing showing only one embodiment. Show it:
Die
Um zu vermeiden, dass bei kleinen Volumenströmen an Blowby-Gas die Druckdifferenz Δp und damit die Strömungsgeschwindigkeit zu gering wird, lehrt die Erfindung den zur Ölabscheidung vorgesehenen Strömungsquerschnitt druckabhängig zu verändern.In order to avoid that at small volume flows of blowby gas, the pressure difference Ap and thus the flow velocity is too low, the invention teaches the oil separation provided flow cross-section to change pressure-dependent.
Gemäß der in
An der Ausgangsseite
Die Funktionsweise der ersten Variante ist einer vergleichenden Betrachtung der
Aufgrund eines geringen Volumenstroms an Blowby-Gas ist gemäß der
Mit zunehmenden Volumenstrom an Blowby-Gas steigt auch der zweite Druck p2 an der Eingangsseite
Die
Um bei Belastungsspitzen oder einem Fehlbetrieb einen Überdruck abzubauen, kann in dem Absperrorgan
Die
Um die gleichmäßig entlang einer Umfangslinie angeordneten radialen Öffnungen
Die beschriebenen Funktionsstellungen sind auch in den
Wie bei der in den
Um das als Schieberhülse ausgebildete Absperrorgan
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