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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Ölzentrifuge mit einem integrierten, drehbar gelagerten Zentrifugenrotor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Ölzentrifuge kann beispielsweise als industrielle Ölzentrifuge zur Anwendung kommen oder auch in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Die Ölzentrifuge kann Teil eines Ölmoduls sein, welches außer der Ölzentrifuge ein Ölfilter mit einem Filterelement und einen Wärmetauscher aufweisen kann. Derartige Ölmodule kommen insbesondere in Nutzfahrzeugen zum Einsatz.
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Stand der Technik
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Ein Ölfilter mit Zentrifugenrotor wird in der
DE 103 29 199 A1 beschrieben. Der in dieser Druckschrift beschriebene Ölfilter weist in einem Gehäusetopf einen Hauptstromfilter mit einem Ringfiltereinsatz und in einem aufgesetzten Gehäusedeckel einen Zentrifugenrotor auf, der als Nebenstromfilter fungiert. Das Öl wird aus dem Reinraum des Ringfiltereinsatzes über ein feststehendes, starres Rohr zum Zentrifugenrotor geleitet, wobei im Übergang vom Rohr zum Zentrifugenrotor ein Sicherheitsventil angeordnet ist, welches die Aufgabe hat, den Zuströmweg zu versperren, falls sich der Zentrifugenrotor nicht in seiner ordnungsgemäß montierten Position befindet. Eine axial verschieblich in dem Rohr gelagerter Stößel des Sicherheitsventils wird von der Innenwand des Zentrifugenrotors beaufschlagt und in einer Öffnungsposition gehalten. Fehlt dagegen der Zentrifugenrotor, kann der Stößel unter dem Druck des einströmenden Öls axial in eine Schließposition verstellt werden.
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In der
DE 103 41 054 A1 ist eine Zentrifuge für die Reinigung von Schmieröl beschrieben, welche ein auf oder in einer Achse angeordnetes verstellbares Verschlussorgan aufweist, das durch den Zentrifugenrotor in einer Öffnungsstellung haltbar ist und bei fehlendem Zentrifugenrotor die Durchlassöffnung des Ölzuleitungskanals verschließt.
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Die
DE 20 2004 017 820 U1 offenbart eine Freistrahlzentrifuge mit einem Rotor mit einer Rückstoßdüse und einem Schmutzsammelbereich sowie Mitteln zur Aufteilung des Schmierölstroms in zwei Teilströme.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ölzentrifuge mit Zentrifugenrotor mit einfachen konstruktiven Maßnahmen so auszubilden, dass die Sicherheit gegen einen unerwünschten Ölaustritt verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die erfindungsgemäße Ölzentrifuge wird beispielsweise zur Ölfiltration in Verbrennungsmaschinen eingesetzt und weist einen drehbar gelagerten Zentrifugenrotor auf, mit dessen Hilfe Schmutzpartikel im Öl abgeschieden werden können. Die Ölzentrifuge ist beispielsweise in einen Ölkreislauf eingebracht, welcher vorteilhafterweise als Hauptstromfilter ein Ölfilter mit einem Filterelement aufweist, welches beispielsweise als Ringfilter ausgebildet ist, sowie stromab des Hauptstromfilters die Ölzentrifuge, die den Nebenstromfilter bildet. Die Ölzentrifuge befindet sich vorzugsweise stromab des Ölfilters in einem Bypasskanal zu einem Hauptstromkanal des vom Ölfilter gefilterten Öls, so dass ein Anteil des vom Ölfilter gereinigten Öls der Ölzentrifuge zugeführt ist. Im Zuströmweg zum Zentrifugenrotor sind ein Druckventil sowie ein Sicherheitsventil angeordnet. Druckventil und Sicherheitsventil sind in Reihe geschaltet, wobei im Zustromweg zum Zentrifugenrotor zunächst das Druckventil und anschließend das Sicherheitsventil platziert ist. Das Druckventil hat die Funktion, erst mit dem Überschreiten eines Druckschwellenwertes von der Schließ- in die Öffnungsstellung zu verfahren und damit den Strömungsweg für das zu reinigende Öl in Richtung des Zentrifugenrotors freizugeben. Der Druckschwellenwert liegt beispielsweise bei 2 bar.
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Das Sicherheitsventil, welches stromab und in Reihe mit dem Druckventil im Zuströmweg zum Zentrifugenrotor angeordnet ist, weist einen verstellbaren Ventilkörper auf, der bei ordnungsgemäß montiertem Zentrifugenrotor von diesem in Öffnungsstellung gehalten ist. Der Ventilkörper des Sicherheitsventils liegt in der Ölströmung durch den Zuströmweg und wird bei nicht ordnungsgemäß montiertem Zentrifugenrotor von dem Öl in die Schließstellung beaufschlagt, so dass das Sicherheitsventil schließt und der Ölfluss im Zuströmweg unterbrochen ist. Damit ist sichergestellt, dass kein Öl austreten kann, wenn der Zentrifugenrotor nicht oder nicht ordnungsgemäß montiert ist.
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Vorteilhaft sind Sicherheitsventil und Druckventil als Kugelventil oder Kolbenventil ausgestaltet. Hierbei können die Ventile beide von der gleichen Bauart oder verschieden ausgebildet sein.
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Das Druckventil und das Sicherheitsventil können gegebenenfalls eine bauliche Einheit bilden. In diesem Fall sind Druck- und Sicherheitsventil unmittelbar hintereinanderliegend angeordnet und hängen insbesondere zusammen. Hierbei kommt sowohl eine einteilige Ausführung von Druck- und Sicherheitsventil als auch eine mehrteilige, jedoch miteinander verbundene Ausführung der Ventile in Betracht.
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Gemäß bevorzugter Ausführung befindet sich das Druckventil unmittelbar an dem Gehäuseboden der Ölzentrifuge und ist an diesem befestigt. Bei einer Anordnung der Ölzentrifuge auf einem Ölmodul ist das Druckventil entsprechend am Ölmodul montiert. Das Druckventil trägt hierbei das Sicherheitsventil, so dass das Sicherheitsventil keine zusätzliche Halterung oder Abstützung an einem weiteren Bauteil der Ölzentrifuge benötigt.
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Bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Zentrifugenrotors ist am Zentrifugenrotor ein nach innen einragender Stellzapfen ausgebildet, der bevorzugt einteilig mit dem Zentrifugenrotor ausgebildet ist. In der montierten Position hält der Stellzapfen den Ventilkörper des Sicherheitsventils in der Öffnungsstellung. Der Stellzapfen kann hierbei an einem Zuströmrohr angeordnet sein, das vorzugsweise ebenfalls einteilig mit dem Zentrifugenrotor ausgebildet ist und sich zentrisch nach innen erstreckt.
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Gemäß einer alternativen Ausführung ist dagegen ein orts- bzw. gehäusefestes Zuströmrohr vorgesehen, das den Zuströmweg zum Zentrifugenrotor bildet. Auch in diesem Fall ist es aber zweckmäßig, den Stellzapfen am Zentrifugenrotor anzuformen.
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Der Zentrifugenrotor ist, gemäß weiterer vorteilhafter Ausführung, an mindestens einem der Ventile drehbar gelagert. In bevorzugter Ausführung ist der Zentrifugenrotor zumindest an dem Druckventil gelagert, welches vorteilhafterweise mit dem Ölmodul verbunden, beispielsweise in das Ölmodul eingeschraubt ist. Die Lagerung erfolgt beispielhaft über ein Kugellager oder eine Gleitlagerpaarung mit ein oder zwei Gleitlagerbuchsen, die gegebenenfalls aus unterschiedlichen Materialien bestehen können, beispielsweise aus Stahl und aus Sinterbronze.
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Der Zentrifugenrotor ist bevorzugt über eine zweite Lagerstelle gelagert, welche sich entweder ebenfalls an einem der Ventile befindet (fliegende Lagerung des Zentrifugenrotors) oder auf der dem Ventil axial gegenüberliegenden Seite zwischen einem Gehäusebauteil und dem Zentrifugenrotor (doppelte Lagerung). Im erstgenannten Fall weist der Zentrifugenrotor zwei Lagerstellen auf mit einer ersten Lagerung an dem Druckventil und einer zweiten Lagerung an dem Sicherheitsventil. Bei einer doppelten Lagerung mit größerem axialen Abstand zwischen den Lagerstellen befindet sich das erste Lager an dem Druckventil und das zweite Lager auf der axial gegenüberliegenden Seite zwischen dem umgreifenden Gehäusebauteil bzw. Zentrifugendeckel und der Stirnseite des Zentrifugenrotors. Die Lagerstelle zwischen dem Sicherheitsventil und dem Zentrifugenrotor kann ebenfalls wie die Lagerstelle an dem Druckventil als Kugellager oder als Gleitlagerpaarung mit zwei Gleitlagerbuchsen ausgeführt sein, beispielsweise bestehend aus Stahl oder Sinterbronze. Die Lagerstelle zwischen der Innenseite des Gehäuseteils und der Stirnseite des Zentrifugenrotors ist beispielhaft ebenfalls als Gleitlager mit einer Lagerbuchse an der Stirnseite des Zentrifugenrotors und einem in die Lagerbuchse einragenden Lagerbolzen ausgebildet, wobei Lagerbuchse und Lagerbolzen ebenfalls aus unterschiedlichen Materialien bestehen können, beispielsweise aus Sinterbronze und Stahl.
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Im Betrieb der Ölzentrifuge wird das zu reinigende Öl zunächst im Filterelement gereinigt und strömt anschließend anteilig, beispielsweise mit einem Anteil von 10%, bei ausreichend hohem Druck, über den Zuströmweg durch das vorgeschaltete Druckventil und danach durch das in Öffnungsstellung befindliche Sicherheitsventil in den Zentrifugenrotor. Im Zentrifugenrotor wandert das Öl radial nach außen und schließlich axial nach unten, wo das Öl über Austrittsdüsen abgeleitet wird, wobei aufgrund des hohen Drucks des Öls beim Austritt über die Düsen der Zentrifugenrotor angetrieben wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ölzentrifuge ist in den Strömungsweg des Öls zum Zentrifugenrotor eine Drosselstelle mit verringertem Strömungsquerschnitt eingebracht, wobei der Strömungsquerschnitt der Drosselstelle zumindest gegenüber einem Strömungsquerschnitt stromauf der Drosselstelle verringert ist. Die Drosselstelle kann in dem Gehäuse des Druckventils oder des Sicherheitsventils oder zwischen den beiden Ventilen angeordnet sein. Beispielsweise kann sich die Drosselstelle im Einlassbereich für das Öl im Druckventil 6 befinden. Die Drosselstelle kann jedoch auch stromab der Ventile in das Zuströmrohr eingebracht sein. Der Durchmesser des Strömungskanals verjüngt sich an der Drosselstelle. Stromab der Drosselstelle kann sich der Durchmesser wieder erweitern oder verjüngt bleiben. Vorteilhaft ist der Durchmesser des Strömungskanals stromauf und stromab der Drosselstelle gleich. Die Drosselstelle kann vorteilhaft die Form einer Lavaldüse aufweisen.
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Die Drosselstelle stellt eine Engstelle dar, welche einen Druckverlust in der Ölströmung bewirkt. Die Drosselstelle dämpft Druckspitzen und sorgt hierdurch für eine Vergleichmäßigung des Öldrucks im Zentrifugenrotor, der somit von den Druckspitzen entlastet wird, was zu einer Reduzierung der Belastung des Zentrifugenrotors und zu einer Erhöhung der Rotorlebensdauer führt. Indem der Querschnitt stromab der Drosselstelle langsam wieder erweitert wird, kann der verbleibende Druckverlust relativ gering gehalten werden, so dass einerseits im Zentrifugenrotor ein ausreichend hoher Druck zur Verfügung steht, um zu einer hohen Rotationsgeschwindigkeit beizutragen und somit die Partikelabscheidung zu unterstützen, und andererseits in der Drosselstelle die Druckschwankungen reduziert werden, so dass die Spitzenbelastung ebenfalls entsprechend weiter reduziert ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführunge sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen Schnitt durch eine Ölzentrifuge mit integriertem Zentrifugenrotor, mit zwei hintereinander angeordneten Ventilen und einer ersten Lagerstelle im Bereich eines Ventiles sowie einer zweiten Lagerstelle an der Stirnseite des Zentrifugenrotors,
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2 eine 1 entsprechende Ausführung, jedoch mit einer zweiten Lagerstelle im Bereich des zweiten Ventils.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist eine Ölzentrifuge 1 für eine Brennkraftmaschine dargestellt, welche Teil eines Ölkreislaufs sein kann. Beispielsweise ist die Ölzentrifuge 1 gemeinsam mit einem Ölfilter auf ein Ölmodul 2 montiert. Das Ölmodul 2 kann als Druckgussteil, insbesondere aus Aluminium, ausgestaltet sein und umfasst ein Ölfilter mit einem Filterelement, insbesondere einem Rundfilterelement, zur Grobabscheidung und eine nachgeschaltete Ölzentrifuge 1 mit Zentrifugenrotor 3 zur Feinabscheidung, wobei zumindest ein Teilstrom des vom Ölfilter vorgefilterten Öls der Ölzentrifuge 1 zugeführt wird. Der Zentrifugenrotor 3 liegt stromab des Ölfilters in einem Bypass zu einem Hauptstromkanal und wird von einem topf- bzw. deckelartigen Gehäusebauteil 4 übergriffen, das mit einem bodenseitigen Zentrifugengehäuseteil oder dem Ölmodul 2 verbunden ist, beispielsweise angeschraubt ist. Der Zentrifugenrotor 3 ist gegenüber dem bodenseitigen Zentrifugengehäuseteil bzw. dem Ölmodul 2, sowie dem Gehäusebauteil 4 drehbar gelagert und kann um seine Längsachse 5 rotieren.
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Im Zuströmweg des Öls zum Zentrifugenrotor 3 befinden sich ein Druckventil 6 und ein dem Druckventil 6 nachgeschaltetes Sicherheitsventil 7, die als eine zusammenhängende Ventileinrichtung ausgeführt sind. Das Druckventil 6 und das Sicherheitsventil 7 sind als separate Bauteile ausgebildet, die jedoch zusammenhängen und miteinander verbunden sind. Das Druckventil 6 ist als ein Kolbenventil ausgebildet, dessen federbelasteter Kolben 8, welcher das Ventilglied des Druckventils 6 bildet, in die Schließstellung beaufschlagt ist und von dem Öl auf der Reinseite des vorangestellten Ölfilters in Richtung Öffnungsstellung gedrückt wird. Der Kolben 8 des Druckventils 6 öffnet, sobald der Druck einen Druckschwellenwert erreicht, beispielsweise 2 bar. Daraufhin ist der Strömungsweg durch das vorgeschaltete Druckventil 6 freigegeben.
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Das nachgeschaltete Sicherheitsventil 7 ist unmittelbar auf das Gehäuse des Druckventils 6 aufgesetzt und mit diesem verbunden, beispielsweise verschraubt. Das Sicherheitsventil 7 ist als Kugelventil ausgeführt, dementsprechend ist der Ventilkörper des Sicherheitsventils 7 von einer Kugel 9 gebildet, die von dem Gehäuse des Sicherheitsventils 7 verstellbar aufgenommen ist.
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In das Sicherheitsventil 7 ragt ein Stellzapfen 10 ein, der einteilig mit einem Zuströmrohr 11 ausgebildet ist, welcher einteiliger Bestandteil des Zentrifugenrotors 3 ist und sich zentrisch an der Innenseite des Zentrifugenrotors 3 erstreckt. Der Stellzapfen 10 des Zentrifugenrotors 3 ragt in den Abströmweg des Sicherheitsventils 7 ein und hält die Kugel 9 des Sicherheitsventils auf Abstand von ihrem Dichtsitz, so dass der Strömungsweg im Sicherheitsventil 7 freigehalten ist. Fehlt dagegen der Stellzapfen 10, beispielsweise bei nicht oder falsch montiertem Zentrifugenrotor 3, so wird die Kugel 9 durch den Druck des herangeführten Öls in ihre Dichtposition verstellt und verschließt somit den Strömungsweg.
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Das Gehäuse des Druckventils 6 ist in das Ölmodul 2 eingeschraubt. Der Strömungsweg durch die Ventile 6 und 7 liegt koaxial zur Längsachse 5 von Ölzentrifuge 1 und Zentrifugenrotor 3. Das Sicherheitsventil 7 ragt axial in das Zuströmrohr 11 ein, welches einteilig mit dem Zentrifugenrotor 3 ausgebildet ist und gemeinsam mit diesem umläuft; das Zuströmrohr 11 ist Teil des Strömungswegs des Öls zum Zentrifugenrotor 3.
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Der Zentrifugenrotor 3 ist über zwei axial beabstandete Lagerstellen drehbar gelagert. Eine erste Lagerstelle befindet sich an der Außenseite des Gehäuses des Druckventils 6 und ist entweder, wie in der linken Bildhälfte von 1 dargestellt, als Gleitlagerpaarung mit zwei Gleitlagerbuchsen ausgeführt, von denen sich die innenliegende Gleitlagerbuchse an der Wandung des Gehäuses des Druckventils 6 befindet und die außenliegende Gleitlagerbuchse an der Innenseite des Zuströmrohrs 11 des Zentrifugenrotors 3. Die Gleitlagerbuchsen können aus unterschiedlichem Material bestehen, beispielsweise aus einer Materialpaarung Stahl-Sinterbronze. Alternativ besteht die Lagerstelle, wie in der rechten Bildhälfte von 1 dargestellt, aus einem Kugellager zwischen dem Gehäuse des Druckventils 6 und der Innenwand des Zuströmrohrs 11 des Zentrifugenrotors 3. Das Gleitlager ist mit Bezugszeichen 12, das Kugellager mit Bezugszeichen 13 gekennzeichnet. Alternativ zu einer Ausgestaltung mit zwei Gleitlagerbuchsen kann auch nur eine Gleitlagerbuchse vorgesehen sein, während das Ventilgehäuse als Gleitpartner fungiert.
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Axial beabstandet zur ersten Lagerstelle zwischen dem Druckventil 6 und dem Zentrifugenrotor 3 befindet sich an der Stirnseite des Zentrifugenrotors eine zweite Lagerstelle an der Innenseite des umgreifenden Gehäusebauteils 4. Diese zweite Lagerstelle ist als Gleitlager 14 ausgebildet und weist eine Lagerbuchse 15 auf, die in die Stirnseite des Zuströmrohrs 11 am Zentrifugenrotor 3 eingesetzt ist, sowie einen Lagerbolzen 16, der über einen Gummidämpfer 17 an der Innenseite des Gehäusebauteils 4 gehalten ist und in die Lagerbuchse 15 einragt. Der Lagerbolzen 16 ist beispielsweise als Stahlbolzen ausgeführt, die Lagerbuchse 15 kann aus Sinterbronze bestehen.
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Der Strömungsweg durch die Ölzentrifuge 1 ist mit Pfeilen dargestellt. Zunächst erfolgt die Filtration im Ölfilter, von dessen Reinseite aus ein Anteil des vorgefilterten Öls durch die Ventileinrichtung mit dem Druckventil 6 und dem Sicherheitsventil 7 axial in das Zuströmrohr des Zentrifugenrotors 3 geführt wird. Soweit beide Ventile 6, 7 offen stehen, gelangt das Öl, wie mit den Pfeilen dargestellt, über Austrittsöffnungen in der Wandung des Zuströmrohrs 11 radial in die Rotorkammern des Zentrifugenrotors, wo eine Abscheidung von Partikeln stattfindet. Das Öl strömt anschließend axial nach unten und kann über Abströmöffnungen ausgeleitet werden. Aufgrund des Öldrucks und bei einer entsprechenden Ausgestaltung der Abströmöffnungen gerät der Zentrifugenrotor in Drehung um seine Längsachse 5.
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Im Ausführungsbeispiel nach 2 weist die Ölzentrifuge 1 grundsätzlich den gleichen Aufbau wie bei 1 auf. Unterschiedlich ist jedoch die Lagerung des Zentrifugenrotors 3, die als fliegende Lagerung ausgeführt ist. Eine erste Lagerstelle zwischen dem Druckventil 6 und der Stirnseite des Zuströmrohrs 11 des Zentrifugenrotors 3 ist analog zu 1 ausgebildet und kann entweder als ein Gleitlager 12 mit zwei Gleitlagerbuchsen oder als ein Kugellager 13 ausgeführt sein.
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Eine zweite Lagerstelle befindet sich mit verhältnismäßig geringem axialen Abstand an dem Sicherheitsventil 7 und ist ebenso wie die erste Lagerstelle entweder als Gleitlager 18 mit zwei Gleitlagerbuchsen ausgebildet, die ggf. aus unterschiedlichen Materialien bestehen können, wie Stahl und Sinterbronze, oder als Kugellager 19. Die Lagerung erfolgt am Gehäuse des Sicherheitsventils 7 und an der Innenwand des Zuströmrohrs 11, das einteilig mit dem Zentrifugenrotor 3 ausgebildet ist.
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In einer der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellten Ausführungsform weist der Strömungsweg des Öls in der Ölzentrifuge 1 eine Drosselstelle mit verringertem Strömungsquerschnitt auf. Der Strömungsweg wird hierbei durch das Gehäuseinnere des Druckventils 6, das Gehäuseinnere des Sicherheitsventils 7 und das Zuströmrohr 11 gebildet. Die Drosselstelle kann hierbei an beliebiger Stelle im Strömungsweg zum Zentrifugenrotor 3 angeordnet sein, jedoch vor den Austrittsöffnungen im Zuströmrohr 11 zum Einleiten des Öls in den Zentrifugenrotor 3. Die Drosselstelle kann beispielsweise im Gehäuse des Druckventils 6 oder des Sicherheitsventils 7 angeordnet sein, insbesondere im Einlassbereich des Druckventils 6. Die Drosselstelle kann jedoch auch stromab der Ventile 6 und 7 in das Zuströmrohr 11 eingebracht sein. Die Drosselstelle weist einen gegenüber dem stromauf der Drosselstelle liegenden Abschnitt des Strömungsweges verringerten Strömungsquerschnitt auf. Vorzugsweise weitet sich der Querschnitt stromab der Drosselstelle wieder auf. Die Drosselstelle weist vorzugsweise die Form einer Lavaldüse mit allmählich verjüngendem und wieder aufweitendem Querschnitt auf.
