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Die Erfindung betrifft einen Ölnebelabscheider gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner einen entsprechenden Verbrennungsmotor.
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Das bei der Kompression in einem Verbrennungsmotor oder Kolbenverdichter an den Kolbenringen vom Arbeitsraum in den Triebwerksraum vorbeistreifende Gas ist dem Fachmann als Blow-By oder Blowby bekannt. Bei optimaler Abdichtung nach dem Stand der Technik beläuft sich der Blowby-Anteil auf ca. 0,5 % bis 2 % des gesamten Gasvolumens.
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Im Falle des Verbrennungsmotors bringt der Blowby neben einer geringfügigen Verringerung der Kompression das Problem mit sich, dass während des Verbrennungstaktes heißes und mit oft aggressiven Schadstoffen verunreinigtes Gas in das Kurbelgehäuse gelangen kann. Zu diesem Zweck umfassen herkömmliche Verbrennungsmotoren eine Entlüftung des Kurbelgehäuses, die typischerweise in eine sogenannte Airbox oder einen Luftfilterkasten mündet. Von dort kann das entwichene Gas beim nächsten Arbeitstakt des Verbrennungsmotors wieder angesaugt werden, um eine unnötige Belastung der Umwelt durch Abgas zu vermeiden.
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Zusätzlich zu den für Verbrennungsabgase typischen Schadstoffen werden bei der Entlüftung des Kurbelgehäuses auch Motorölpartikel mitgerissen. Durch die Einleitung von Blowby-Gas in den Ansaugtrakt droht somit eine starke Verschmutzung von Drosselklappe, Abgasturbolader (ATL), Ventilen und anderen Komponenten des Ansaugtrakts. Besonders ATL und Ladeluftkühler können auf diese Weise Leistungseinbußen und Störungen erleiden. Ein weiterer unerwünschter Nebeneffekt des Blowbys ist im Mitreißen unverbrannter Kraftstoffreste zu sehen, welche insbesondere beim Kaltstart eine mögliche Verdünnung des Motoröls bewirken.
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Zur Minderung der beschriebenen nachteiligen Nebenwirkungen sind in der Abgasreinigungstechnik sogenannte Ölabscheider oder Ölnebelabscheider bekannt, um das aus dem Kurbelgehäuse abgeführte Blowby von feinen Öltropfen und anderen mitgerissenen Aerosolen zu reinigen und auf diesem Wege Verschmutzungen von Motorkomponenten und Betriebsstörungen zu vermeiden. Gattungsgemäße Ölnebelabscheider sind beispielsweise als Prallabscheider oder – im Falle erhöhter Leistungsanforderungen – als Zentrifugalabscheider ausgeführt. So offenbart etwa
EP 2021592 B1 eine Entlüftung für ein Kurbelgehäuse, welche insbesondere einen als Prallabscheider ausgeführten gattungsgemäßen Ölnebelabscheider umfasst.
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Ein Problem dieser konventionellen Ölnebelabscheider liegt in ihrem beschränkten Abscheidegrad. Den Begrifflichkeiten der Verfahrenstechnik entsprechend wird im vorliegenden Zusammenhang als Abscheidegrad oder Trenngrad die Wirksamkeit des angewandten Trennverfahrens bezeichnet. Als Maßstab mag dabei das Verhältnis der durch den Ölnebelabscheider abgeschiedenen zu der in den Ölnebelabscheider eingetretenen Flüssigkeitsmenge oder -konzentration dienen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ölnebelabscheider zur Verfügung zu stellen, der – unter Beachtung geeigneter Rahmenbedingungen hinsichtlich seiner Baugröße und Komplexität – einen verbesserten Abscheidegrad aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Ölnebelabscheider mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung basiert demnach auf dem Grundgedanken, den Differenzdruck zwischen dem in den Ölnebelabscheider eingeleiteten Aerosol aus Blowby und Ölpartikeln einerseits und dem nach dem Abscheiden verbleibenden Dispersionsmedium andererseits zu erhöhen. Auf diese Weise lässt sich – unter weitgehendem Verzicht auf aktive Komponenten wie elektrostatische Abscheider oder Tellerseparatoren – der Volumenstrom im Bereich des Einlasses steigern, sodass bei dessen Durchströmen einer im Ölnebelabscheider angeordneten Ölabscheideeinheit die dispergierten Öltropfen ein größeres Maß an Bewegungsenergie aufnehmen. Somit wirkt auf den einzelnen Ölpartikel eine erhöhte Massenkraft, die zum Anhaften einer vermehrten Anzahl von Teilchen am Partikelauffangbehälter und mithin zu einem insgesamt verbesserten Abscheidegrad an der Ölabscheideeinheit führt. Zur Erhöhung des Differenzdrucks ist ein, sich zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung erstreckender, Strömungspfad mit einer zusätzlichen Druckquelle verbunden. Diese Druckquelle ist, bei einer, bezogen auf die Ölabscheideeinheit abströmseitigen Verbindung, als Unterdruckquelle ausgebildet. Bei einer anströmseitigen Verbindung ist die Druckquelle als Überdruckquelle ausgebildet. Durch die Verbindung mit der zusätzlichen Druckquelle kann der Ölabscheider über einen höheren Strömungswiderstand verfügen, als Druckdifferenz durch den Verbrennungsmotor erzeugt wird.
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Typischerweise liegen die Differenzdrücke in Kurbelgehäuseentlüftungen bei ca. 20 hPa. Dieser Wert ist insbesondere durch Druckregelventile eingestellt. Durch die Verwendung der zusätzlichen Druckquelle können Differenzdrücke von bis zu 80hPa erzeugt werden. Der zusätzlich zur Verfügung stehende Differenzdruck, welcher somit bis zu 60 hPa betragen kann, steht dem Ölnebelabscheider für ein verbessertes Abscheideergebnis zur Verfügung.
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Ein in der beschriebenen Weise angepasster Ölnebelabscheider lässt sich vorzugsweise als Prallabscheider ausführen, der eine geeignete Anzahl von Düsen besitzt, die mit der Eintrittsöffnung in Fluidverbindung stehen. Eine derartige Ausführung bietet den Vorteil einer geringen konstruktiven Komplexität und Baugröße, da mittels einer einfach zu realisierenden Umlenkung des Dispersionsmediums die Trägheitskraft der Ölpartikel genutzt werden kann, um deren Absetzen an einer in zweckdienlicher Weise angeordneten Prallplatte des Partikelauffangbehälters zu bewirken.
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Im vorliegenden Szenario kann der Differenzdruck vorteilhaft durch eine Ausgestaltung des Prallabscheiders gesteigert werden, die zwei, drei oder vier Düsen aufweist. In diesem Fall verteilt sich das die Düsen durchströmende Gasvolumen auf eine verringerte Gesamtquerschnittsfläche der Düsen, was wiederum zu einem erhöhten Volumenstrom mit den beschriebenen positiven Effekten führt. Ein vergleichbares Ergebnis lässt sich – alternativ oder zusätzlich zu der genannten Maßnahme hinsichtlich der Anzahl der Düsen – durch eine Reduzierung der Querschnittsfläche einzelner oder aller Düsen erreichen. Ein Flächenmaß zwischen 6,3 mm2 und 12,6 mm2 erweist sich in diesem Zusammenhang als besonders vorteilhaft.
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Bezüglich der relativen Positionierung der Düsen eines solchen Prallabscheiders empfiehlt sich dabei eine ringförmige Anordnung, sodass die Düsen eine größtmögliche Fläche der Prallplatte benetzen können. Die Ausdehnung dieser Fläche gestattet es den sich absetzenden Öltropfen, ihre Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Partikelauffangbehälters graduell derart zu verringern, dass der Anteil in Richtung der Austrittsöffnung mitgerissener Teilchen auf ein Mindestmaß beschränkt bleibt, was abermals dem Abscheidegrad der Gesamtvorrichtung zugutekommt.
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Zur Maximierung der zum Abströmen des abgeschiedenen Öls nutzbaren Fläche der Prallplatte dient ferner eine kreisförmige Gestaltung derselben. In dieser Ausführungsform lässt sich nahe dem Mittelpunkt der Kreisform eine geeignete Öffnung vorsehen, welche ein kontrolliertes Abfließen des abgeschiedenen Öls in Richtung des Ablaufs erlaubt.
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Ein der beschriebenen Ausgestaltung des Prallabscheiders entsprechender Effekt kann im Falle eines Fliehkraftabscheiders durch die geeignete Wahl des Flächenverhältnisses zwischen Einlaufzylinder, Kegel, Tauchrohr und Partikelauffangbehälter – der Fachmann spricht in diesem Szenario von einem Bunker – erzielt werden.
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Zur weiteren Optimierung mag eine Ausführungsform des Ölnebelabscheiders dienen, die neben den genannten Komponenten eine fremdangetriebene Strömungsmaschine umfasst. Dieses Bauteil ermöglicht es, den angesichts des erhöhten Differenzdrucks gesteigerten Energiebedarf des Ölnebelabscheiders zu decken, indem dem Dispersionsmedium zusätzliche kinetische Energie zugeführt wird. Auf diesem Wege lassen sich hinsichtlich des Differenzdrucks Arbeitsbereiche des Ölnebelabscheiders erschließen, welche allein mittels der dem eingeleiteten Aerosol innewohnenden Bewegungsenergie nicht ohne weiteres realisierbar sind.
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Hinsichtlich der Strömungsmaschine ist dabei an eine Ausgestaltung als Unterdruck-, insbesondere als Strahlpumpe, zu denken. Durch die weitgehende Verzichtbarkeit beweglicher Bauteile erweist sich diese Ausführungsform als besonders einfach, robust sowie potenziell wartungs- und verschleißarm. Angesichts der einfachen Geometrie und geringen mechanischen Beanspruchung erlaubt die vorgeschlagene Variante zudem die Nutzung thermisch und chemisch beständiger Spezialwerkstoffe, wie sie dem Fachmann auf dem Gebiet der Pumptechnik vertraut sind. Als Alternative zur Erzeugung eines ausreichenden Volumenstroms bei vergleichsweiser geringer Leistungsaufnahme lässt sich die Strömungsmaschine in Gestalt eines Lüfters realisieren.
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Einen kontrollierten Abfluss der aufgefangenen Öltröpfchen begünstigt auch eine Ausführung des Ölnebelabscheiders in Form eines filternden Abscheiders mit einem Filtervlies, dessen als Auflage dienendes Filterbett für das Ableiten abgeschiedenen Öls optimiert ist. In Abhängigkeit vom eingesetzten Filter und dessen Partikelfilterklasse ermöglicht diese Anordnung die Erreichung eines konstant hohen, definierten Abscheidegrads des Ölnebelabscheiders. Bei seiner Verwendung zur Entlüftung eines Verbrennungsmotors bietet ein filternder Abscheider bei spezifischer Auslegung ferner den Vorteil einer weitgehend vom Betriebszustand des Motors unabhängigen und über die gesamte Filterstandzeit gleichmäßigen Leistung.
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In Kombination mit einem Verbrennungsmotor lässt sich zudem eine konstruktive Vereinfachung und kompakte Bauweise erreichen, indem der Ölnebelabscheider integral mit einer Zylinderkopfhaube des Motors ausgebildet wird. Wird dessen Kurbelgehäuse mittels einer Entlüftungsleitung mit der Eintrittsöffnung des Ölnebelabscheiders verbunden, so ergibt sich eine effiziente Entlüftung des Kurbelgehäuses mit geringem Raumbedarf.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Strömungsmaschine, insbesondere der Lüfter, in die Zylinderkopfhaube integtiert. Hierzu kann in der Zylinderkopfhaube ein Lager vorgesehen sein, in welches die Strömungsmaschine eingesetzt und mit einem Deckel fixiert wird.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine teilweise Ansicht einer Zylinderkopfhaube mit einem erfindungsgemäßen Ölnebelabscheider und
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2 eine bereichsweise Schnittdarstellung der Zylinderkopfhaube gemäß 1.
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Der in 1 illustrierte Ölnebelabscheider setzt sich aus einem Grobabscheider 10 und einem mit diesem in Fluidverbindung stehenden Feinabscheider 11 zusammen, die an eine Zylinderkopfhaube 17 angeformt sind. Diese Zylinderkopfhaube 17 bildet die äußere Abdeckung eines Zylinderkopfes, welcher den (nicht dargestellten) Verbrennungsraum des als Hubkolbenmotors ausgestalteten Verbrennungsmotors 18 in der Bewegungsrichtung seines oszillierenden Hubkolbens begrenzt. Etwaige weitere Bestandteile des Zylinderkopfes, die je nach Art und Modell des Verbrennungsmotors 18 beispielsweise Ein- und Auslasskanäle sowie Ventilsteuerung für die Gaswechselvorgänge, Ölkanäle für die Schmierung des Ventiltriebs, Kühlmittelkanäle, Zündkerzen, Einspritzventile oder -düsen sowie Glühkerzen umfassen können, sind aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt.
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Im vorliegenden Szenario bildet der Ölnebelabscheider 10, 11 Teil des Entlüftungssystems eines zur Lagerung der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 18 dienenden Kurbelgehäuses, welches über eine im Wesentlichen gasdichte Entlüftungsleitung mit einer am Grobabscheider 10 vorgesehenen Eintrittsöffnung 12 fluidisch verbunden ist. Über diese Entlüftungsleitung wird dem Ölnebelabscheider 10, 11 Blowby zugeführt, welcher als Dispersionsmedium dispergierte Motoröltröpfchen, die durch sich drehende Bauteile im Kurbelgehäuse erzeugt werden, aus dem Kurbelgehäuse mitreißt. Die beschriebene Dispersion weist somit die chemischen Eigenschaften eines Aerosols auf, dessen Motorölkonzentration stark vom Mitteldruck, der wechselseitigen Paarung von Zylinder, Kolbenring und Laufbuchse und der Anschlussstelle der Entlüftungsleitung am Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors 18 abhängt.
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Der Ölnebelabscheider 10, 11 ist dabei als Trägheits- oder Prallabscheider ausgeführt. Als solcher leitet der Ölnebelabscheider 10, 11 mittels eines Krümmers oder einer Prallplatte das Aerosol derart um, dass dessen Phasen entsprechend ihrer jeweiligen Massenträgheit unterschiedlich stark an die Außenseite des Krümmers oder die Oberfläche der Prallplatte gedrückt werden. Ungeachtet der spezielleren kraftfahrzeugtechnischen Bedeutung des Begriffs im Sinne eines Ansaug- oder Absaugkrümmers ist in diesem Zusammenhang als Krümmer jeglicher Rohrabschnitt anzusehen, der durch seine gekrümmte Form eine Richtungsänderung des Aerosols herbeiführt.
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Die höhere Dichte der Motorölpartikel im Vergleich zum als Dispergens fungierenden Blowby bewirkt dabei ein Abscheiden des Motoröls, welches über einen dem Grobabscheider 10 und Feinabscheider 11 benachbarten Partikelauffangbehälter 13 und mit Letzterem verbundenen Ablauf 14 getrennt vom Blowby aus dem Kurbelgehäuseentlüftungssystem abgeleitet werden kann. Von dort kann das Motoröl über einen nicht gezeigten Rücklauf erneut einer am Kurbelgehäuse angeschraubten Ölwanne des als Viertaktmotors ausgeführten Verbrennungsmotors 18 zugeführt werden, wo es abermals zur Schmierung beweglicher Maschinenelemente dienen mag.
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In seinem weitgehend von Motoröl gereinigten Zustand kann der Blowby über eine hierzu vorgesehene Austrittsöffnung 15 sowie ein optionales Expansionsventil etwa einer Ansaugleitung eines Abgasturboladers (ATL) des Verbrennungsmotors 18 zugeführt werden, wodurch die Emission verbleibender feinerer Schadstoffpartikel vermieden wird. Um den Differenzdruck des eingeleiteten Aerosols im Vergleich zum abgeleiteten Blowby erfindungsgemäß zu erhöhen, ist in Strömungsrichtung des Blowbys zwischen dem Feinabscheider 11 und der Austrittsöffnung 15 eine fremdangetriebene Strömungsmaschine 16 in das Leitungssystem der Zylinderkopfhaube 17 eingebettet, also eine Fluidenergiemaschine, bei der die Energieübertragung auf den Blowby innerhalb des Leitungssystems vorrangig durch eine Strömung nach den Gesetzen der Fluiddynamik mittels kinetischer Energie erfolgt.
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Es versteht sich, dass die relative Anordnung des Feinabscheider 11, des Grobabscheiders 12 und der Strömungsmaschine 16 in anderen Ausführungsformen abgewandelt werden kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So mag die Strömungsmaschine 16 in Strömungsrichtung des Aerosols unmittelbar auf die Eintrittsöffnung 12 folgen oder zwischen Grobabscheider 10 und Feinabscheider 11 vorgesehen sein. Auch eine integrale Ausbildung von Grobabscheider 10 und Feinabscheider 11 steht dem erfindungsgemäßen Gedanken nicht entgegen.
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Die Querschnittsdarstellung gemäß 2 zeigt die in der Zylinderkopfhaube 17 der 1 verbaute Strömungsmaschine 16 im Detail. Diese besitzt vorliegend die Gestalt eines Lüfters, welcher von einer festen Hülle in Form eines Kunststoffgehäuses 20 schützend umgeben wird. Ein unterer Teil des Kunststoffgehäuses 20 ist dabei integral mit der Zylinderkopfhaube 17 ausgebildet, während eine auf die Zylinderkopfhaube 17 aufgeschweißte oder montierte Abdeckung 22 die Möglichkeit zulässt, die Strömungsmaschine 16 bei Bedarf auszutauschen oder zu warten. Die mit einer optionalen Steuerelektronik versehene Strömungsmaschine 16 lässt sich zu diesem Zweck mithilfe eines Befestigungselements 21 – im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Teil einer Schraubverbindung – am Mittelteil des Kunststoffgehäuses 20 anbringen. Eine korrespondierende Bohrung im Bereich eines Lagers 25 der Strömungsmaschine 16 erlaubt dabei die Herstellung einer formschlüssigen lösbaren Verbindung im Rahmen der Herstellung oder Wartung.
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Das erwähnte Lager 25 der Strömungsmaschine 16 trägt seinerseits ein als Lüfterrad 24 fungierendes, innerhalb des Kunststoffgehäuses 20 drehbares Laufrad, das über eine mit dem Ölnebelabscheider 10, 11 verbundene Zuleitung 23 gereinigten Blowby aus Richtung des Feinabscheiders 11 ansaugt. Gemäß der Bauart eines Axialventilators ist das Lüfterrad 24 dabei im Wesentlichen koaxial zu einer die Zuleitung 23 mit dem Bauraum der Strömungsmaschine 16 verbindenden Bohrung der Zylinderkopfhaube 17 und somit näherungsweise parallel zur Strömungsrichtung des Blowbys ausgerichtet.
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Zum Antrieb des Lüfterrads 24 dient ein mit diesem über eine Welle gekoppelter elektrischer Antriebsmotor 26, der in der Bauform eines Außenläufers als elektronisch kommutierter Gleichstrommotor mehrere abwechselnd radial ausgerichtete ringförmig angeordnete Dauermagneten oder einen entsprechend vielpolig magnetisierten Ring umfasst. Dem Fachmann ist dieser Typ eines Elektromotors auch als bürstenloser Gleichstrommotor, BLDC-Motor, BL-Motor oder EC-Motor bekannt. Wird der Verbrennungsmotor 18 zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Bordnetz eingesetzt, so kann Letzteres in vorteilhafter Weise zur Energieversorgung des Elektromotors 26 genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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