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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung, aufweisend ein ölabscheidendes Stellglied zur Veränderung von Strömungsquerschnitten in einer Entlüftungsleitung zur Ableitung von Blowby-Gas einer Kurbelgehäuseentlüftungseinrichtung einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Stand der Technik
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Derartige Vorrichtungen zur Kurbelgehäuseentlüftung werden beispielsweise zwischen dem Kurbelgehäuse und dem Luftansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eingesetzt, um ein unzulässiges Druckniveau im Kurbelgehäuse zu verhindern.
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Zur notwendigen Abscheidung der Ölanteile des Kurbelgehäuseentlüftungsgases wird das aus dem Kurbelgehäuse entweichende Blowby-Gas, ein Luft-Ölnebelgemisch, durch einen Ölnebelabscheider geleitet und anschließend die gereinigte Luft in den Luftansaugtrakt der Brennkraftmaschine geführt während das im Ölnebelabscheider abgeschiedene Öl dem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine zurückgeleitet wird.
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Um im Fall von hohen Volumenströmen eine unzulässig hohe Druckdifferenz am Ölnebelabscheider zwischen Kurbelgehäuse und Luftansaugtrakt und damit einen unzulässig hohen Druck im Kurbelgehäuse zu verhindern, ist üblicherweise ein Ventil in der Entlüftungsleitung vorgesehen, das in einer Parallelschaltung zum Ölnebelabscheider angeordnet ist und einen Bypass zum Ölnebelabscheider bildet.
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Aus der
EP 1 285 152 A1 ist eine solche Vorrichtung zum Entölen von Kurbelgehäuseentlüftungsgasen einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der parallel zum Ölnebelabscheider, beispielsweise einem Zyklon, ein Umgehungskanal mit einem Stellglied zur Steuerung der Gasdurchströmung vorgesehen ist, das den Bypass um den Ölnebelabscheider in Abhängigkeit der anliegenden Druckdifferenz öffnet und schließt.
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Die nach dem Anmeldetag veröffentlichte
DE 10 2011 110 499 A1 zeigt einen Ölnebelabscheider mit einem starren Impaktor, der eine Düseneinrichtung aufweist und einen Prallkörper, wobei ein Abscheidebereich mit einer Oberflächenstruktur realisiert ist, die Erhebungen und Vertiefungen aufweist.
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Aus der
EP 1 644 124 B1 ist eine Vorrichtung zur Entölung von Kurbelgehäuseentlüftungsgasen bekannt mit Ölabscheideelementen in Form von Zyklonen, wobei ein Regelelement vorgesehen ist, das den Volumenstrom in mindestens zwei Teilströme aufteilt.
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Die
EP 2 021 592 B1 offenbart eine Einrichtung für die Entlüftung eines Kurbelgehäuses mit einer einem Ölnebelabscheider nachgeschalteten Pumpe, bei dem der Ölnebelabscheider schaltbar ausgebildet ist und ein Unterdruckventil aufweist.
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Der
JP 2000-045 750 A ist ein Ölabscheider zu entnehmen, bei der ein ölhaltiges Fluid durch eine Vielzahl von Öffnungen auf eine strukturierte Prallfläche gelenkt wird.
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Aus der
DE 10 2005 042 286 A1 ist eine Einrichtung zur Trennung eines Gas-Flüssigkeitsgemisches bekannt, bei der die Anzahl und/oder die Querschnitte von Beschleunigungsöffnungen bei unterschiedlich großen Gemischvolumenströmen jeweils einen möglichst hohen Abscheidegrad ermöglichen.
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Aus der
DE 20 2010 001 191 U1 ist ein Ventil mit einem Abscheider bekannt, bei dem ein Abscheideelement fest mit einem Ventilteller verbunden ist, so dass sich der Abstand zwischen Ventilteller und Abscheideelement nicht verändert. Die Ölnebelabscheidefunktion gliedert sich üblicherweise in eine Koaleszenz von feinen Öltröpfchen an Oberflächen und die anschließende Abscheidung von Öl aus dem Blowby-Gas. Bei der Durchströmung eines Ölnebelabscheiders entsteht dabei ein Druckverlust, der insbesondere vom Volumenstrom und somit vom Betriebszustand des Motors abhängt. Der Druckabfall am Ölnebelabscheider ist für eine gute Abscheideleistung möglichst hoch zu halten, andererseits ist ein unzulässig hoher Druck im Kurbelgehäuse zu vermeiden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung anzugeben, die einfach ausgestaltet und leicht herstellbar ist.
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Erfindungsgemäß ist in einer Entlüftungsleitung ein Ölnebelabscheider angeordnet, der einen in Abhängigkeit vom Volumenstrom variablen Durchströmungsquerschnitt für Blowby-Gas aufweist und zudem durch eine Prallwirkung feinstes Ölaerosol aus dem Blowby-Gas zu Öltropfen koalesziert sowie eine stromabwärts angeordnete Vorrichtung zur Ölabscheidung, in der das koaleszierte Öl und das Gas getrennt werden. Das Gas wird in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine geleitet und das abgeschiedene Öl in den Ölkreislauf der Brennkraftmaschine zurückgeführt.
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Die erfindungsgemäße Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung zur Entlüftung eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuges weist mindestens eine in einer Entlüftungsleitung angeordnete Ölnebelabscheidevorrichtung und wenigstens ein in der Entlüftungsleitung angeordnetes bewegliches Stellglied zur Veränderung der Querschnittsfläche einer Durchlassöffnung für das Blowby-Gas auf. Diese Durchlassöffnung befindet sich in einer Sperrfläche in einem Gehäuse der Ölnebelabscheidevorrichtung. Das beweglich gelagerte Stellglied wird in jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine vom gesamten Volumenstrom in der Entlüftungsleitung durchströmt. Eine Aufteilung des Volumenstroms auf einen Hauptkanal und einen Neben-oder Umgehungskanal ist nicht vorgesehen. Das Stellglied weist wenigstens eine erste Durchströmöffnung auf, die permanent in zumindest einem Teilbereich der Querschnittsfläche geöffnet ist. Eine vollständige Schließung der Durchlassöffnung und somit der Entlüftungsleitung ist für keinen Betriebszustand der Brennkraftmachine vorgesehen. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist zusätzlich zu der ersten, nie ganz verschlossenen Durchströmöffnung des Stellgliedes wenigstens eine zweite Durchströmungsöffnung vorgesehen ist. Diese zweite Durchströmungsöffnung öffnet oder schließt in Abhängigkeit von der an dem Stellelement anliegenden Druckdifferenz und somit abhängig von der Position des Stellgliedes in der Durchlassöffnung.
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In der erfindungsgemäßen Ausführung ist vorgesehen, dass zumindest der ersten zumindest teilweise permanent geöffneten Durchströmöffnung für das Blowby-Gas stromabwärts der Durchströmöffnung wenigstens eine Umlenkung der Fluidströmung in einem Winkel, insbesondere von etwa 90°, an einer nachfolgenden ölnebelabscheidenden Prallfläche (26, 29, 30).
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist in Strömungsrichtung nach dem Stellglied zur Ölnebelabscheidung ein zweiter Bereich in dem Gehäuse der Ölnebelabscheidevorrichtung angeordnet, in dem das koaleszierte Öl abgeschieden wird, wobei der zweite Bereich von dem Gesamtvolumenstrom des Blowby-Gases in der Entlüftungsleitung durchströmt wird.
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Als Ölabscheidevorrichtung können Volumenabscheider, Labyrinthabscheider oder Zyklone zur Ölabscheidung vorgesehen sein. Es ist eine parallele Anordnung verschiedener oder gleicher Abscheider möglich, wobei der gesamte Volumenstrom zuvor durch das Stellglied in der Durchlassöffnung geströmt ist.
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Vorteilhaft ist in einer weiteren Ausführung vorgesehen, dass zumindest in einem Bereich der Durchströmöffnung des Stellgliedes die jeweilige, der Strömung zugewandte Prallfläche mit einem Vlies zur Koaleszenzabscheidung bedeckt ist.
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Alternativ weist das bewegliche Stellglied wenigstens eine Durchströmöffnung auf, bei der die durchströmbare Querschnittsfläche der Durchströmöffnung in Abhängigkeit der Position des beweglichen Stellgliedes veränderbar ist. Dies wird erreicht durch eine sich erweiternde Kontur der Durchströmöffnung in dem Stellglied. Die Kontur kann eine bestimmte geometrische Form, wie beispielsweise eine Rechteck oder Dreiecksform aufweisen oder als Freiformline einen beliebigen Verlauf aufweisen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die durchströmbare Querschnittsfläche der Durchströmöffnung in Abhängigkeit der Position des beweglichen Stellgliedes kontinuierlich oder stufenartig veränderbar.
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Des Weiteren kann ein Federelement vorgesehen sein, dass eine Kraft auf das Stellglied aufbringt und so eine Druckdifferenz vorgibt, bei der die zweite Durchströmöffnung geöffnet ist. Als Federelement können sämtliche Formen von Federn oder Elastomermaterialien vorgesehen sein. Eine Auslegung als Druck- oder Zugfeder ist je nach gewünschter Charakteristik möglich. Somit ist optimale eine Anpassung des Volumenstroms an das Motorkennfeld. Vorteilhaft kann auch eine Auslegung der Ölnebelabscheidevorrichtung durch eine definierte Gewichtskraft, die auf das Stellelement wirkt, vorgesehen sein.
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Beansprucht werden ebenfalls eine Ölnebelabscheidevorrichtung und eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung.
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Die vom Blowby angeströmte Prallfläche wirkt als Impaktor und weist erfindungsgemäß eine besonders gestaltete Oberfläche auf mit einer feinen anisotropen Struktur aus kegelförmigen oder pyramidenförmigen Erhebungen und Vertiefungen, die koaleszierend wirken und somit eine günstige Ölnebelabscheidung bewirken. Weitere Möglichkeiten einer alternativen Gestaltung der Oberfläche und der Herstellung der Oberflächenstruktur eines Impaktors und der dazugehörigen Düseneinrichtung sowie geeigneten Materialien sind der Schrift
DE 10 2011 110 499 mit dem Anmeldetag 17.08.2011 zu entnehmen.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist die angeströmte Prallfläche mit einem Vlies versehen oder besteht vollständig aus einem Vlies und kann demzufolge von dem Blowby-Gas durchströmt werden.
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Durch die Umlenkungen der Strömung im Bereich der Prallflächen wird eine gute Koaleszerwirkung erzielt, d. h. die feinen im Blowby-Gas befindlichen Öltröpfchen und das Ölaerosol bildet größeren Tropfen, die im nachfolgenden Ölabscheider optimal abgeschieden werden können. Das bereits im Bereich des Stellelementes abscheidende Öl wird über einen Ölrücklauf in den Ölkreislauf der Brennkraftmaschine zurückgeführt.
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Das Federelement kann in weiteren vorteilhaften Ausführungen als Zugfeder oder Blattfeder gestaltet sein.
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Selbstverständlich lassen sich die Merkmale aus denen in den Figuren dargestellten unterschiedlichen Ausführungsformen kombinieren. Beispielsweise kann das Federelement für alle gezeigten Ausführungsformen sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des beweglichen Stellgliedes angeordnet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen in vereinfachter Darstellung die
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1: das Schema einer Brennkraftmaschine mit einer daran angeordneten Kurbelgehäuseentlüftungsvorrichtung;
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2: eine Einzeldarstellung einer Ölnebelabscheidevorrichtung im Betriebszustand mit geringer Druckdifferenz;
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3: eine Darstellung der gleichen Ölnebelabscheidevorrichtung aus 2 im Betriebszustand mit hoher Druckdifferenz;
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4: eine Einzeldarstellung einer alternativen Ölnebelabscheidevorrichtung im Betriebszustand mit geringer Druckdifferenz;
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5: eine Detaildarstellung einer Ausführung des beweglichen Stellgliedes mit stufenartigen Erweiterungen der Durchströmöffnungen und
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6: eine Detaildarstellung einer Ausführung des beweglichen Stellgliedes mit kegelförmigen Durchströmöffnungen.
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Gleiche Bauteile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In der 1 ist eine Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine 1 gezeigt mit einem Ansaugtrakt 2, einem Brennraum 3 und einem Kurbelgehäuse 4, unterhalb dessen die mit Öl gefüllte Ölwanne 5 angeordnet ist. Aus dem Kurbelgehäuse 4 führt eine Entlüftungsleitung 6 zu über eine Ölnebelabscheidevorrichtung 7 mit variablem Durchströmungsquerschnitt zu einem Ölabscheider 8, der aus dem Blowby-Gas das Öl abscheidet und über die Rückführleitung 9 in die Ölwanne zurückführt. Das gereinigte Blowby-Gas wird über eine Leitung 10 in den Ansaugtrakt 2 stromabwärts des Luftfilters 11 geleitet.
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Die 2 zeigt in einer Detaildarstellung eine Ölnebelabscheidevorrichtung 7 in einem Betriebszustand mit geringem Volumenstrom in der Entlüftungsleitung 6. Das Gehäuse 24 der Ölnebelabscheidevorrichtung 7 weist eine Sperrfläche 16 mit einer Durchlassöffnung 15 auf. In der Durchlassöffnung 15 ist ein bewegliches Stellglied 17, beispielsweise in der Gestalt eines Ventilkorbes, aufgenommen, das axial verschiebbar angeordnet ist und durch ein Federelement 18, beispielsweise eine Druckfeder als Spiralfeder ausgebildet, in eine vorgegebene Ruheposition gedrückt wird. Das bewegliche Stellglied 17 weist Durchströmöffnungen 22 auf, durch die das Blowby-Gas strömt. Die Durchströmöffnungen 22 sind permanent durchströmbar und in ihrem Querschnitt nicht veränderbar.
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In einem Abstand zu den Durchströmöffnungen 22 ist eine Prallfläche 26 angeordnet, die über Stege 27 an dem beweglichen Stellglied 17 gehalten ist, so dass der Abstand zwischen Prallfläche 26 und dem Durchtritt der Durchströmöffnungen 22 an der der Prallfläche 26 zugewandten Oberfläche unabhängig von der Stellung des beweglichen Stellgliedes 17 konstant ist. Zwischen umfänglich beabstandeten Stegen 27 strömt das umgelenkte Fluid in den Bereich des Gehäuses 24 stromabwärts der Sperrfläche 16. Die Prallfläche 26 weist zur Erzielung eines Impaktoreffektes eine besonders gestaltete Oberfläche 28 auf, beispielsweise eine feine Struktur aus kegelförmigen oder pyramidenförmigen Erhebungen, die eine koaleszierende Wirkung aufweisen und somit eine günstige Ölabscheidung bewirken.
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Die Durchströmöffnungen 22 können kreisrunde Querschnitte aufwiesen und als eine Art Düsen die Strömung in Richtung der Prallfläche 26 beschleunigen. Alternativ sind auch andere Geometrien für die Durchströmöffnungen 22 vorzusehen.
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Stromab des Stellgliedes 17 strömt das Blowby-Gas durch eine hier nicht näher beschriebene Vorrichtung zur Ölabscheidung 8 weiter, in der eine Feinabscheidung der verbliebenen Ölpartikel stattfindet, bevor die Luft über die Leitung 10 in den Ansaugtrakt 2 der Brennkraftmaschine 1 eingeleitet wird. Abgeschiedenes Öl läuft durch die Rückführleitung 9 zurück in den Ölkreislauf der Brennkraftmaschine 1.
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An den Flächen des Stellgliedes 17 wirkt zusätzlich zu der Kraft des Federelementes 18 die resultierende Kraft aus der Druckdifferenz zwischen dem Druck p1, der näherungsweise dem Kurbelgehäusedruck entspricht und stromaufwärts der Sperrfläche 16 anliegt, und dem Druck p2, der bedingt durch den Druckverlust des beweglichen Stellgliedes 17 abweicht von p1 und stromabwärts der Sperrfläche 16 anliegt.
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In einer Ruheposition bei abgestellter Brennkraftmaschine und bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten und somit geringem Volumenstrom in der Entlüftungsleitung 6 drückt das Federelement 18 das Stellglied in die in der 2 gezeigte Stellung. Bei steigender Druckdifferenz zwischen p1 und p2 bewegt sich das Stellglied 17 ab einer vorbestimmten Druckdifferenz axial in der Durchlassöffnung 15 in der gezeigten Darstellung nach oben und gibt wenigstens einen weiteren Querschnitt einer Durchströmöffnung 23 für den Volumenstrom frei.
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In der gezeigten Darstellung ist die Kontaktfläche zwischen der Durchlassöffnung 15 in der Sperrfläche 16 durch ein Dichtmittel 23, beispielsweise einen O-Ring abgedichtet. Zusätzlich oder alternativ ist ein (hier nicht gezeigtes) Dichtmittel zwischen dem beweglichen Stellglied 17 und der Sperrfläche 16 vorteilhaft.
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Die 3 zeigt die gleiche Ölnebelabscheidevorrichtung 7 mit variablem Durchströmungsquerschnitt aus der 2, jedoch in einem Betriebszustand mit einer höheren Druckdifferenz p'1 – p'2 in der Entlüftungsleitung 6. Das bewegliche Stellglied 17 ist gegenüber der Sperrfläche 16 weiter ausgelängt und gibt zusätzliche Durchströmöffnungen 25 frei, durch die das Blowby-Gas zusätzlich zu den Durchströmöffnungen 22 strömen kann. Mithilfe dieser zusätzlichen Durchströmöffnungen 25 kann ein größerer Volumenstrom durch die Ölnebelabscheidevorrichtung 7 strömen, so dass der Druck im Kurbelgehäuse nicht unzulässig ansteigen kann.
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In der Ausführung der Ölnebelabscheidevorrichtung 7 gemäß der 2 und 3 ist in einer alternativen, nicht dargestellten Ausführung, eine Prallfläche um die Durchlassöffnung bzw. das Stellglied herum vorteilhaft, um einen noch besseren Koaleszereffekt zu erzielen.
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Die 4 zeigt in einer Detaildarstellung eine alternative Ausführung einer Ölnebelabscheidevorrichtung 7 mit variablem Durchströmungsquerschnitt mit einer Durchlassöffnung 15 in einer Sperrfläche 16 innerhalb der Entlüftungsleitung 6. In der Durchlassöffnung 15 ist ein bewegliches Stellglied 17 aufgenommen, dass axial verschiebbar angeordnet ist und beispielsweise durch ein Federelement 18 in eine vorgegebene Ruheposition gedrückt wird. Das bewegliche Stellglied 17 weist zumindest eine Durchströmöffnung 19 auf, durch die das Blowby-Gas strömt. Diese Durchströmöffnung 19 ist permanent offen und lässt sich durch einen vorgegebenen Abstand des beweglichen Stellgliedes 17 zur Sperrfläche 16 nicht verschließen. Stromab des Stellgliedes 17 strömt das Blowby-Gas durch eine hier nicht näher beschriebene Vorrichtung zur Ölabscheidung 8 und weiter durch die Leitung 10. An dem beweglichen Stellglied 17 abgeschiedenes Öl läuft durch die Rückführleitung 9 zurück in den Ölkreislauf der Brennkraftmaschine 1.
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Das Blowby-Gas strömt durch die Durchströmöffnung 19 und wird durch eine erste Prallfläche 29 umgelenkt. Die Prallfläche steht in einem Winkel zur Strömungsrichtung, vorteilhaft in einem Winkel von etwa 90°. Auf die erste Umlenkung folgt eine weitere Umlenkung des Gasstromes an einer weiteren Prallfläche 30. Die Prallflächen können als einzelne Segmente im Bereich der Durchströmöffnung 19 und in einer weiteren Ausführung auch im Bereich der weiteren Durchströmöffnungen 20, 21 vorgesehen sein. Alternativ ist ein umlaufender Ring um die Durchlassöffnung 15 in der Sperrfläche 16 vorgesehen, in dem Unterbrechungen vorgesehen sind. Vorteilhaft kann abgeschiedenes Öl durch die Unterbrechungen in Richtung der Rückführleitung 9 fließen. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist eine Vielzahl von Umlenkungen der Strömung kombiniert.
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Eine konusförmige Querschnittsänderung der umlaufenden Prallflächen 29 verändert den Abstand zwischen Durchströmöffnung 19, 20, 21 und der Prallfläche 29 in Abhängigkeit der Position des Stellgliedes 17.
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An den Flächen des Stellgliedes 17 wirkt zusätzlich zu der Kraft des Federelementes 18 die resultierende Kraft aus der Druckdifferenz zwischen dem Druck p1, der näherungsweise dem Kurbelgehäusedruck entspricht, und dem Druck p2, der bedingt durch den Druckverlust des beweglichen Stellgliedes 17 abweicht von p1.
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In Ruheposition bei abgestellter Brennkraftmaschine drückt das Federelement 18 das bewegliche Stellglied 17 in die in der 4 gezeigte Stellung. Abhängig von dieser Druckdifferenz bewegt sich das Stellglied 17 axial in der Durchlassöffnung 15 und verändert den durchströmbaren Querschnitt der Durchströmöffnung 19.
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Das bewegliche Stellglied 17 weist umfänglich axial beabstandet mehrere Durchströmöffnungen 20, 21 auf, die je nach Position des beweglichen Stellgliedes 17 in Abhängigkeit der Druckdifferenz p1 – p2 weitere Strömungsquerschnitte freigeben und somit einen höheren Volumenstrom ermöglichen und einen unzulässig hohen Druck im Kurbelgehäuse abwenden.
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Der 5 ist eine Detaildarstellung einer Ausführung des beweglichen Stellgliedes 17 mit stufenartigen Erweiterungen 32, 33 der Durchströmöffnung 31 zu entnehmen. Zumindest ein Bereich der Durchströmöffnung 31 ermöglicht einen permanenten Durchfluss von Blowby-Gas durch die Druchlassöffnung 15. Mit zunehmender Druckdifferenz p'1 – p'2 bewegt sich das Stellglied, so dass mit jeder Stufe 32, 33 der durchströmte Querschnitt der Durchströmöffnung 31 sprunghaft zunimmt. Über den Umfang des Stellgliedes 17 können mehrere Durchlassöffnungen 31 angeordnet sein, die einen gleichen oder aber auch unterschiedlichen Querschnittsverlauf aufweisen.
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6 zeigt eine Detaildarstellung einer Ausführung des beweglichen Stellgliedes 17 mit einer kontinuierlichen Erweiterung der Durchströmöffnung 34. Mit zunehmender Auslenkung des Stellgliedes 17 infolge der Druckdifferenz p'1 – p'2 nimmt der durchströmte Querschnitt der Durchströmöffnung 34 zu. Je nach Gestaltung der Kontur der Durchströmöffnung 34 ist ein linearer oder beliebiger Verlauf der Querschnittsänderung möglich. Somit ist eine optimale Anpassung an das Kennfeld des Motors erreichbar hinsichtlich des Druckes im Kurbelgehäuse und der erforderlichen Ölnebelabscheidung.
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Zur Abdichtung des beweglichen Stellgliedes 17 gegenüber der Sperrfläche 16 ist in einer optionalen Ausführung eine Dichtmembran vorzusehen, die den Spalt zwischen den Bauteilen berührungsfrei abdichtet und somit keine Reibung zwischen den Bauteilen hervorruft.
