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Die Erfindung bezieht sich auf einen Zyklonabscheider zur Abscheidung von Öltröpfchen aus Kurbelwellengehäusegasen eines Verbrennungsmotors.
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Zyklonabscheider zum Abscheiden von Öltröpfchen aus Kurbelwellengehäusegasen eines Verbrennungsmotors sind bereits bekannt. Zyklonabscheider sind üblicherweise fluidleitend mit dem Kurbelwellengehäuse und dem Ansaugtrakt verbunden. Im Betrieb wird der Zyklonabscheider von einem Volumenstrom an Kurbelwellengehäusegas durchströmt, der mit zunehmendem Unterdruckunterschied zwischen dem Ansaugtrakt und dem Kurbelwellengehäuse ansteigt. Die Öltröpfchen werden im Zyklonabscheider gesammelt und durch einen Ölrücklauf zurück in das Kurbelwellengehäuse geleitet. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann der Druckunterschied zwischen dem Ansaugtrakt und dem Kurbelwellengehäuse so groß werden, dass das Öl zurück durch den Ablauf in den Zyklonabscheider und damit auch in den Ansaugtrakt gesaugt wird. Daher wird bei einigen bekannten Verbrennungsmotoren ab einem gewissen Druckunterschied ein Bypass geöffnet, welcher einen zusätzlichen Volumenstrom am Zyklonabscheider vorbei in den Ansaugtrakt leitet. Dadurch kann ein gewisser Anteil an Öl nicht im Zyklonabscheider von dem Kurbelwellengehäusegas getrennt werden. Alternativ wird bei einigen Verbrennungsmotoren ab einem gewissen Druckunterschied der Volumenstrom auf mehrere Zyklonabscheider verteilt, um die Abscheidung bei großen Volumenströmen zu gewährleisten.
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Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Zyklonabscheider bereitzustellen, der einen Bypass bzw. zusätzliche Zyklonabscheider überflüssig macht.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Vorgesehen ist demgemäß ein Zyklonabscheider zur Abscheidung von Öltröpfchen aus Kurbelwellengehäusegasen eines Verbrennungsmotors aufweisend:
- – ein zumindest abschnittsweise rotationssymmetrisch geformtes Gehäuse,
- – einen in das Gehäuse mündenden Einlass für einen Volumenstrom an Kurbelwellengehäusegas,
- – einen in dem Gehäuse ausgebildeten Umlenkbereich, welcher fluidleitend mit dem Einlass verbunden ist und welcher zumindest bereichsweise gebogen ausgebildet ist, so dass durch den Einlass in den Umlenkbereich strömendes Kurbelwellengehäusegas in dem Gehäuse umgelenkt wird,
- – ein in dem Einlass ausgebildetes Ventil, welches so ausgestaltet ist, dass es mit zunehmendem Volumenstrom einen größeren Querschnitt des Einlasses freigibt.
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Der Einlass kann mit dem Kurbelwellengehäuse fluidleitend verbunden werden. Ein an dem Zyklonabscheider angeordneter Gasauslass kann mit dem Ansaugtrakt fluidleitend verbunden werden. In dem Umlenkbereich wird das den Zyklonabscheider durchströmende Kurbelwellengehäusegas verwirbelt, d. h. in Rotation versetzt. Das Gehäuse kann abgesehen von dem Einlass rotationssymmetrisch ausgebildet sein, damit sich darin eine stabile, wirbelförmige Gasströmung ausbildet. In dem Kurbelwellengehäusegas enthaltene Partikel und Flüssigkeiten, insbesondere Öl und Wasser, werden dabei durch die Zentrifugalkraft nach außen geleitet, wo sie sich an dem Gehäuse sammeln. Dadurch, dass in dem Einlass ein Ventil angeordnet ist, welches bei zunehmendem Volumenstrom einen größeren Querschnitt des Einlasses freigibt, kann der Zyklonabscheider an größere Volumenströme an Kurbelwellengehäusegas angepasst werden. Bei kleineren Volumenströmen ist der Querschnitt des Einlasses klein. Demnach tritt das eintretende Kurbelwellengehäusegas durch einen verhältnismäßig kleinen Querschnitt. Dadurch wird das Kurbelwellengehäusegas beschleunigt. Der Volumenstrom an beschleunigtem Kurbelwellengehäusegas erzeugt die Rotation der Strömung. Mit zunehmendem Volumenstrom an Kurbelwellengehäusegas wird der Querschnitt größer, so dass die Geschwindigkeit nicht überproportional ansteigt, sondern an den Volumenstrom angepasst ist. Demnach kann durch das Ventil ein Zyklonabscheider geschaffen werden, der sowohl für geringe Volumenströme als auch für große Volumenströme geeignet ist. Ein Bypass und/oder zusätzliche Zyklonabscheider ist nicht notwendig.
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In einer Ausgestaltung weist der Einlass einen Außenwandabschnitt auf, welcher fließend in eine Innenwand des Gehäuses übergeht.
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An dem Außenwandabschnitt kann sich dadurch aus dem Volumenstrom eine im Wesentlichen laminare und störungsfreie Gasströmung ausbilden.
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Entsprechend einer Ausgestaltung verbleibt zwischen dem Außenwandabschnitt und dem Ventil in jeder Stellung des Ventils stets ein offener Querschnitt.
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Bei verhältnismäßig geringen Volumenströmen, welche beispielsweise im Leerlauf des Verbrennungsmotors auftreten, ist das Ventil demnach offen, so dass der Volumenstrom verlustarm in das Gehäuse fließen kann.
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Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung weist das Ventil ein Ventilelement auf, welches über eine elastische Verbindung mit einem gegenüber von dem Außenwandabschnitt liegenden Innenwandabschnitt des Einlasses verbunden ist.
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Dadurch wird ein Ventil bereitgestellt, welches sich bei einem zunehmenden Volumenstrom selbstständig weiter öffnet und dadurch einen größeren Querschnitt des Einlasses freigibt.
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Entsprechend einer Ausgestaltung ist das Ventilelement selbst aus einem elastischen Material gebildet.
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Dadurch, dass das Ventilelement selbst aus dem elastischen Material gebildet ist, kann es sich mit zunehmendem Volumenstrom in sich verformen, so dass es in Richtung der Gasströmung umgebogen wird und dadurch der Gasströmung einen geringeren Strömungswiderstand entgegensetzt. Als elastische Materialien können hitzebeständige Gummimischungen sowie Kautschuk und dergleichen verwendet werden.
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Entsprechend einer Ausgestaltung ist das Ventilelement zumindest teilweise einstückig mit dem Einlass verbunden.
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Das Ventilelement kann demnach in einem Urformverfahren gemeinsam mit dem Einlass hergestellt werden. Hierfür kann der Einlass an sich aus dem gleichen elastischen Material gebildet sein, wie das Ventilelement.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Ventil in dem Einlass demontierbar angeordnet.
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Dadurch kann das Ventil auch in bereits bestehende Zyklonabscheider eingebracht werden.
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Entsprechend einer Ausgestaltung läuft das Gehäuse mit zunehmendem axialem Abstand von dem Einlass trichterförmig zu.
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Mit zunehmendem Abstand von dem Einlass verlangsamt sich die Gasströmung aufgrund von Reibung. Indem der Strömungsbereich trichterförmig zuläuft, herrscht auf ein in der Kurbelwellengehäusegasströmung befindliches Öltröpfchen in dem Strömungsbereich eine in etwa konstante Zentrifugalbeschleunigung. Dadurch ist eine Abscheiderate, welche ein Maß für die Wirksamkeit des Zyklonabscheiders darstellt, entsprechend hoch, d. h. dass nur wenige Öltröpfchen in den Ansaugtrakt gelangen.
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In einer Ausgestaltung ist ein mit dem Ansaugtrakt verbindbarer Gasauslass des Zyklonabscheiders in einer Einbaulage im Kraftfahrzeug in einem geodätisch oben liegenden Bereich angeordnet.
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Dadurch kann Öl, welches sich in dem Zyklonabscheider angesammelt hat, nicht in den Gasauslass gelangen, da die Schwerkraft dem Öl entgegenwirkt.
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Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung ragt der Gasauslass in das Gehäuse hinein.
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Bei dieser Ausgestaltung ist der Gasauslass möglichst weit entfernt von Bereichen, in denen sich Öl ansammeln kann, insbesondere Wandbereichen. Dadurch kann effektiv verhindert werden, dass Öl in den Gasauslass gelangt.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1: schematisch einen Verbrennungsmotor mit einem Zyklonabscheider,
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2: schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zyklonabscheiders,
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3: schematisch in einem Schnitt einen Zyklonabscheider in einer Draufsicht mit einem einströmenden ersten Volumenstrom, und
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4: schematisch den Zyklonabscheider aus 2, welcher von einem zweiten Volumenstrom durchströmt wird, wobei der zweite Volumenstrom größer ist als der erste Volumenstrom, und
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5 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Zyklonabscheiders, bei dem das Ventil als demontierbares Element in dem Einlass angeordnet ist.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleichwirkende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine besonders bevorzugte Anordnung eines Zyklonabscheiders 1 in einer Kurbelwellengehäuseentlüftung 2. Die Kurbelwellengehäuseentlüftung 2 ist fluidleitend mit einem Kurbelwellengehäuse 3 eines Verbrennungsmotors 4 verbunden. Das Kurbelwellengehäuse 3 beinhaltet dabei eine mit Öl versorgte, nicht dargestellte Kurbelwelle. Im Betrieb des Verbrennungsmotors 4 gelangen Verbrennungsgase an ebenfalls nicht dargestellten Kolben vorbei in das Kurbelwellengehäuse 3. Das Kurbelwellengehäuse 3 sollte zur Verbesserung des Wirkungsgrades möglichst frei von Überdrücken sein, in der Regel ist in dem Kurbelwellengehäuse 3 sogar ein Unterdruck vorgesehen. Der Unterdruck wird durch die in einen Ansaugtrakt 5 des Verbrennungsmotors 4 mündende Kurbelwellengehäuseentlüftung 2 erzeugt. Die Kurbelwellengehäuseentlüftung 2 stellt über eine Gasleitung 6 eine fluidleitende Verbindung zwischen dem Ansaugtrakt 5 und dem Kurbelwellengehäuse 3 bereit.
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Die Gasleitung 6 führt durch einen mindestens einen Zyklonabscheider 1, in dem flüssige und teilweise auch feste Teilchen und Partikel aus der Gasströmung abgeschieden werden. Auf diese Weise wird die Ansaugluft sauber gehalten und Flüssigkeit, insbesondere Öl, zurück in das Kurbelwellengehäuse 3 geleitet. Dies erfolgt über einen Ölrücklauf 7, welcher das Kurbelwellengehäuse 3 fluidleitend mit einer Ablaufbohrung 8 verbindet. Dabei mündet der Ölrücklauf 7 vorzugsweise unterhalb eines schematisch dargestellten Ölstands 9 im Kurbelwellengehäuse 3, damit der Unterdruck im Ansaugtrakt 5 das Kurbelwellengehäusegas nicht durch den Ölrücklauf 7 zieht.
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2 zeigt den Zyklonabscheider 1 schematisch in einer vergrößerten Darstellung. Der Zyklonabscheider 1 ist im Wesentlichen aus einem Gehäuse 10 und einem im Wesentlichen quaderförmigen Einlass 11 gebildet. Das Gehäuse 10 erstreckt sich bereichsweise rotationssymmetrisch um eine Mittelachse 12. Das Gehäuse 10 ist in einem oberen Bereich 13 im Wesentlichen zylindrisch geformt, abgesehen von einer Unterbrechung für den Einlass 11. Unterhalb von dem oberen Bereich 13 läuft das Gehäuse 10 trichterförmig zu. In dem oberen Bereich 13 mündet der Einlass 11 seitlich versetzt zu der Mittelachse 12 in das Gehäuse 10. Dabei geht zumindest einem in einer radialen Richtung r am weitesten außen liegende Außenwandabschnitt 14 flächig in eine Innenwand 15 des Gehäuses 10 über. Der Außenwandabschnitt 14 liegt damit zumindest teilweise in einer Ebene E1, welche parallel zur Mittelachse 12 liegt. Eine an der Innenwand 15 des Gehäuses 10 anliegende Tangente T verläuft durch die Ebene E1. Anders ausgedrückt geht der Außenwandabschnitt 14 fließend in die Innenwand 15 des Gehäuses 10 über. Dadurch kann ein Volumenstrom V' verlustfrei über den Einlass 11 in das Gehäuse 10 eingeleitet werden. Der Volumenstrom V' wird durch einen durch die Innenwand 15 ausgebildeten Umlenkbereich 24 in Rotation versetzt. Der Umlenkbereich 24 ist dabei Teil der ansonsten im Wesentlichen rotationsymmetrischen Innenwand 15 des Gehäuses 10, wobei im Einlass 11 die Innenwand 15 unterbrochen ist. Geringfügige Abweichungen von der Rotationssymmetrie des Gehäuses sind durch fertigungstechnische, dem Gehäuse 10 innewohnende Eigenspannungen sowie durch thermische Verformung im Betrieb selbstverständlich möglich.
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In dem Einlass 11 ist ein Ventil 16 angeordnet. Das Ventil 16 ist aus einem einstückigen Ventilelement 21 gebildet, das über eine Verbindung 17 mit einem Innenwandabschnitt 23 verbunden ist. Der Innenwandabschnitt 23 liegt gegenüber von dem Außenwandabschnitt 14 in dem quaderförmigen Einlass 11. Das Ventil 16 und die flexible Verbindung 17 sind aus einem elastischen und nachgiebigen Material gebildet, wodurch eine Nachgiebigkeit des Ventils 16 erreicht wird. Das Ventil 16 erstreckt sich bis kurz vor den Außenwandabschnitt 14. Ein Querschnitt Q des Einlasses 11 bleibt damit stets frei durchströmbar. Der Querschnitt Q ist veränderlich. Bei größeren Volumenströmen V' wird der Querschnitt Q(V') durch ein Umschwenken des Ventilelements 21 vergrößert (siehe 3 und 4).
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Im Betrieb bildet sich aus dem eintretenden Volumenstrom V' eine anfangs rotierende Gasströmung 18 aus, die zumindest in einem Strömungsbereich 19 durch die im Wesentlichen spiralförmig bzw. wirbelförmig ausgebildet ist. In der Gasströmung 18 enthaltene Öltröpfchen 20 werden durch die Zentrifugalbeschleunigung nach außen gedrängt, wo sie ablaufen und in den in 1 gezeigten Ölrücklauf 7 gelangen. Das Gehäuse 10 läuft mit zunehmendem Abstand a von dem Einlass 11 trichterförmig zu. Dadurch herrscht auf ein in der Gasströmung 18 befindliches Öltröpfchen 20 in dem Strömungsbereich 19 eine in etwa konstante Zentrifugalbeschleunigung.
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Die Gasströmung 18 kann den Zyklonabscheider 1 durch einen zentral in dem Zyklonabscheider 1 angeordneten Gasauslass 22 in nicht dargestellter Weise wieder verlassen. In diesem Zustand befinden sich nahezu keine Öltröpfchen 20 mehr in der Gasströmung. Der Gasauslass 22 ist fluidleitend mit dem Ansaugtrakt (siehe 1, Bezugszeichen 5) verbunden. Der Gasauslass 22 ragt in das Gehäuse 10 des Zyklonabscheiders 1 hinein und die Gasströmung 18 rotiert im Betrieb um den Gasauslass 22 herum, so dass die Öltröpfchen 20 nicht in den Gasauslass 22 gelangen können.
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In 3 ist der Zyklonabscheider 1 schematisch in einer Draufsicht schematisch gezeigt. Der Einlass 11 wird von einem ersten Volumenstrom V1' durchströmt. Der erste Volumenstrom V1' ist verhältnismäßig gering. Demnach bewirkt der Volumenstrom V1' eine geringe Umbiegung des Ventilelements 21.
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In 4 ist der Zyklonabscheider 1 in bei einem zweiten Volumenstrom V2' dargestellt. Der zweite Volumenstrom V2' ist größer als der erste Volumenstrom V1'. Dadurch wird das Ventilelement 21 stärker umgebogen, wodurch sich zwischen dem Außenwandabschnitt 14 und dem Ventilelements 21 ein vergrößerter Querschnitt Q(V2') ausbildet. Der größere Querschnitt Q(V2') erlaubt eine breitere Gasströmung 18, so dass der Zyklonabscheider 1 bei etwa gleichbleibender Abscheiderate der größere Volumenstrom V2' verlustfrei durchströmt werden kann.
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5 zeigt schematisch einen Zyklonabscheider 1 mit einem Ventil 16', welches als separates Bauteil demontierbar in einem Einlass 11' eingebracht ist. Hierfür können nicht dargestellte Befestigungsmittel vorgesehen sein oder das Ventil 16' kann als Ganzes in den Einlass 11' eingeschoben werden. Der Einlass 11' ist abgesehen davon, dass er zur Aufnahme des Ventils 16' ausgestaltet ist, genauso gestaltet wie der im Zusammenhang mit den 2 bis 4 beschriebene Einlass 11. Für die übrigen Elemente und Bauteile gilt das im Zusammenhang mit den 1 bis 4 Gesagte.
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Gleichwohl in der vorangegangenen Beschreibung eine mögliche Ausführungen der Erfindung offenbart wurden, versteht es sich, dass zahlreiche weitere Varianten von Ausführungen durch Kombinationsmöglichkeiten aller genannten und ferner aller dem Fachmann naheliegenden technischen Merkmale und Ausführungsformen existieren. Es versteht sich ferner, dass die Ausführungsbeispiele lediglich als Beispiele zu verstehen sind, die den Schutzbereich, die Anwendbarkeit und die Konfiguration in keiner Weise beschränken. Vielmehr möchte die vorangegangene Beschreibung dem Fachmann einen geeigneten Weg aufzeigen, um zumindest eine beispielhafte Ausführungsform zu realisieren. Es versteht sich, dass bei einer beispielhaften Ausführungsform zahlreiche Änderungen bezüglich Funktion und Anordnung der Elemente vorgenommen werden können, ohne den in den Ansprüchen offenbarten Schutzbereich und dessen Äquivalente zu verlassen. Insbesondere kann das Ventil auf andere als der hierin beschriebenen Weise bei erhöhten Volumenströmen weiter geöffnet werden, beispielsweise durch einen Aktor betätigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zyklonabscheider
- 2
- Kurbelwellengehäuseentlüftung
- 3
- Kurbelwellengehäuse
- 4
- Verbrennungsmotor
- 5
- Ansaugtrakt
- 6
- Gasleitung
- 7
- Ölrücklauf
- 8
- Ablaufbohrung
- 9
- Ölstand
- 10
- Gehäuse
- 11
- Einlass
- 11'
- Einlass
- 12
- Mittelachse
- 13
- oberer Bereich
- 14
- Außenwandabschnitt
- 15
- Innenwand
- 16
- Ventil
- 16'
- Ventil
- 17
- flexible Verbindung
- 18
- Gasströmung
- 19
- Strömungsbereich
- 20
- Öltröpfchen
- 21
- Ventilelement
- 22
- Gasauslass
- 23
- Innenwandabschnitt
- 24
- Umlenkbereich
- a
- Abstand
- E1
- Ebene
- T
- Tangente
- V
- Volumenstrom
- V1'
- erster Volumenstrom
- V2'
- zweiter Volumenstrom
- Q
- Querschnitt
- Q(V1')
- Querschnitt bei geringem Volumenstrom
- Q(V2')
- Querschnitt bei erhöhtem Volumenstrom
