DE102014214589A1

DE102014214589A1 - Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betrieb eines solchen

Info

Publication number: DE102014214589A1
Application number: DE102014214589.9A
Authority: DE
Inventors: Johannes Gelbmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2016-01-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor (2) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Brennkammer, mit einem Kurbelwellengehäuse (6), mit einem einen Verdichter (10) umfassenden Turbolader (8), wobei zur Brennkammer ein Frischluft führender Frischluftkanal (14) führt, in dem der Verdichter (10) angeordnet ist, und wobei vom Kurbelwellengehause (6) zum Frischluftkanal (14) ein Entlüftungskanal (32) führt, in dem ein Ölabscheider (34) angeordnet ist, sowie mit einer Saugstrahlpumpe (42) zum Ansaugen von Blowby-Gas aus dem Kurbelwellengehäuse (6) über einen Saugmittelanschluss (44) der Saugstrahlpumpe (42) mithilfe eines über einen Treibmittelanschluss (46) bereitgestellten Treibmittels, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibmittelanschluss (46) mit dem Frischluftkanal (14) stromab des Verdichters (10) verbunden ist, zur Zuführung von verdichteter Frischluft als Treibmittel. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Verbrennungsmotors (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug, mit einer Brennkammer, mit einem Kurbelwellengehäuse, mit einem einen Verdichter umfassenden Turbolader, wobei zur Brennkammer ein Frischluft führender Frischluftkanal führt, in dem der Verdichter angeordnet ist, und wobei vom Kurbelwellengehäuse zum Frischluftkanal ein Entlüftungskanal führt, in dem ein Ölabscheider angeordnet ist, sowie mit einer Saugstrahlpumpe zum Ansaugen von Blowby-Gas aus dem Kurbelwellengehäuse über einen Sauganschluss der Saugstrahlpumpe mithilfe eines über einen Treibmittelanschluss bereitgestellten Treibmittels. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Verbrennungsmotors.
Ein solcher Verbrennungsmotor ist beispielsweise aus der DE 10 2010 018 150 A1 bekannt.
Im Betrieb liegt zwischen Brennraum und Kurbelwellengehäuse eines Verbrennungsmotors ein Druckunterschied vor, der prinzipiell dazu führt, dass ein Teil der beim Verbrennen in der Brennkammer entstehenden Abgase am Kolben und an diesem möglicherweise angebrachten Kolbenringen vorbei in das Kurbelwellengehäuse entweicht. Das am Kolben vorbeiströmende Gas wird auch als Blowby oder Blowby-Gas bezeichnet. Um einen Druckanstieg im Kurbelwellengehäuse aufgrund einer Anreicherung von Blowby-Gas zu vermeiden, wird das Kurbelwellengehäuse über einen Entlüftungskanal entlüftet. Allerdings enthält das Blowby-Gas häufig zusätzlich Öl, das beim Vorbeiströmen an der geschmierten Zylinderhonung mitgerissen wurde. Dieses Öl liegt dann typischerweise in Form von im Blowby-Gas enthaltenen Öltropfen vor. Abhängig von der Auslegung des Verbrennungsmotors weisen diese Öltropfen einen mittleren Durchmesser von beispielsweise etwa 1 μm oder auch weniger auf.
Um die Umweltbelastung durch den Verbrennungsmotor gering zu halten mündet der Entlüftungskanal typischerweise in die Frischluftzufuhr, wodurch das Blowby-Gas nicht in die Umwelt ausgestoßen, sondern über die Frischluftzufuhr in die Brennkammer zurückgeführt wird. Mit anderen Worten: zur Emissionsminderung erfolgt eine Rückführung des Blowby-Gases und insbesondere allgemein der Abgase in die Brennkammer. Um einen erhöhten Ölverbrauch und/oder eine Versottung des Frischluftzufuhrkanals durch das im Blowby-Gas enthaltene Öl und im rückgeführten Abgas enthaltenen Ruß zu verhindern ist im Entlüftungskanal ein Ölabscheider angeordnet, der zumindest einen Teil des im Blowby-Gas enthaltenen Öls herausfiltern soll. Bei Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge, beispielsweise Personenkraftfahrzeuge (kurz PKW) mit geringer Literleistung genügt als Ölabscheider häufig ein einfaches Beruhigungsvolumen, um hinreichend viel Öl abzuscheiden. Bei hoher Literleistung hingegen, wie beispielsweise bei einem Hochleistungsdieselmotor oder einem mittels eines Turboladers aufgeladenen Verbrennungsmotors, beispielsweise für einen PKW kann die Menge an produziertem Blowby jedoch größer sein und beispielsweise in der Größenordnung von etwa 300 l/min liegen. In diesem Fall ist ein Einsatz von effizienteren Ölabscheidern sinnvoll. Aus Kosten- und Wartungsgründen werden dabei bevorzugt passive Ölabscheider eingesetzt.
Die Effizienz eines solchen Ölabscheiders hängt unter Anderem von der Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass des Ölabscheiders ab, das heißt vom am Ölabscheider zur Verfügung stehenden Druckgefälle. Dieses entspricht insbesondere der Differenz der im Betrieb im Frischluftkanal und im Kurbelwellengehäuse vorliegenden Drücke. Zuweilen ist zwischen dem Kurbelwellengehäuse und dem Frischluftkanal ein Druckregelventil angeordnet, um eine kontrollierte Abführung des Blowby-Gases aus dem Kurbelwellengehäuse zu gewährleisten. Um ein Rücksaugen des bereist abgeschiedenen Öls zu vermeiden, darf der durch den Ölabscheider erzeugte Druckabfall die erlaubte, das heißt maximal vorgesehene Druckdifferenz nicht überschreiten. Jedenfalls ist dadurch auch die am Ölabscheider verfügbare Druckdifferenz besonders vom Betriebspunkt des Motors abhängig und auch durch eine maximal verfügbare Druckdifferenz eingeschränkt. Dabei ist der tolerierbare Druckabfall insbesondere von der Dichtigkeit des Verbrennungsmotors abhängig.
Desweiteren ist die Effizienz des Ölabscheiders üblicherweise vom mittleren Durchmesser der Öltropfen abhängig und für geringere Durchmesser geringer. Insbesondere bei den oben beschriebenen Hochleistungsdieselmotoren oder aufgeladenen Motoren ist der mittlere Durchmesser der Öltropfen oft deutlich geringer als bei anderen, insbesondere herkömmlichen Motoren; die Effizienz des Ölabscheiders ist in diesen Fällen somit geringer.
Die stetig angestrebte Leistungssteigerung bei Verbrennungsmotoren, insbesondere für PKW hat jedoch zur Folge, dass das verfügbare Druckgefälle immer weiter reduziert wird, der Volumenstrom des Blowby-Gases zunimmt und der mittlere Durchmesser der im Blowby-Gas enthaltenen Öltropfen immer geringer wird. Dadurch wird jedoch jeweils auch die Effizienz eines zur Filterung des Blowby-Gases vorgesehenen Ölabscheiders reduziert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit einem Ölabscheider anzugeben, bei dem die Effizienz des Ölabscheiders verbessert ist. Weiterhin soll ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Verbrennungsmotors angegeben werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die im Zusammenhang mit dem Verbrennungsmotor gemachten Erläuterungen sinngemäß auch für das Verfahren zu dessen Betrieb.
Der Verbrennungsmotor ist zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftfahrzeug ausgebildet und umfasst eine Brennkammer, ein Kurbelwellengehäuse und einen Turbolader, der wiederum einen Verdichter umfasst. Zur Brennkammer führt ein Frischluft führender Frischluftkanal, in dem der Verdichter angeordnet ist. Vom Kurbelwellengehäuse zum Frischluftkanal führt ein Entlüftungskanal, in dem ein Ölabscheider angeordnet ist. Desweiteren umfasst der Verbrennungsmotor eine Saugstrahlpumpe zum Ansaugen von Blowby-Gas aus dem Kurbelwellengehäuse über einen Sauganschluss der Saugstrahlpumpe. Dies erfolgt mithilfe eines über einen Treibmittelanschluss bereitgestellten Treibmittels. Dabei ist der Treibmittelanschluss mit dem Frischluftkanal stromab des Verdichters verbunden, zur Zuführung von verdichteter Frischluft als Treibmittel.
Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht insbesondere darin, dass mittels der Saugstrahlpumpe eine Erhöhung der am Ölabscheider anliegenden Druckdifferenz erfolgt, wodurch der Betrieb des Ölabscheiders effizienter ist. Hervorzuheben ist hierbei, dass als Treibmittel verdichtete Frischluft verwendet wird, wodurch das am Ölabscheider zur Verfügung stehende Druckgefälle vergrößert ist. Dadurch ist die Effizienz der Ölabscheidung im Vergleich zu herkömmlichen passiven Systemen verbessert. Das abgeschiedene Öl wird vorzugsweise mittels eines Ölrückführungskanals in eine am Boden des Kurbelwellengehäuses angeordnete Ölwanne geführt. Weiterhin erfolgt die Abscheidung von Öltropfen mit insbesondere geringem Durchmesser besonders effizient im Vergleich zum Betrieb ohne Saugstrahlpumpe. Anstatt eine ungenügende Druckdifferenz durch einen aktiven Ölabscheider zu kompensieren ist es mittels der Erfindung möglich, einen passiven Ölabscheider zu verwenden. Solch ein passiver Ölabscheider ist einfacher zu warten und kostengünstiger als ein aktiver Ölabscheider. Zudem stellt ein aktives System zugleich einen elektrischen oder hydraulischen Verbraucher dar, wohingegen die passive Ausführung zum Betrieb vorteilhaft keine elektrische oder hydraulische Energie benötigt.
Der Frischluftkanal dient dem Ansaugen von Frischluft aus der Umgebung des Kraftfahrzeuges. Je nach Auslegung des Verbrennungsmotors kann der Frischluft auf dem Weg zur Brennkammer zusätzlich Brennstoff beigemischt werden, zur Herstellung eines Brennstoff/Luft-Gemisches. In diesem Fall ist der Frischluftkanal in geeigneter Weise mit einer Brennstoffzufuhr verbunden. Der Brennstoff kann jedoch auch separat in die Brennkammer eingebracht werden.
Das Treibmittel dient zum Ansaugen des Saugmittels, das heißt des in das Kurbelwellengehäuse eingetragenen Blowby-Gases. Die Menge des im Betrieb erzeugten Blowby-Gases hängt dabei von den genauen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors ab und nimmt insbesondere unterschiedliche Werte an.
In der Saugstrahlpumpe werden dann das Treibmittel und das Saugmittel vermischt und am Auslass der Saugstrahlpumpe ausgeströmt. Da der Auslass mit dem stromauf des Verdichters angeordneten Abschnitt des Frischluftkanals verbunden ist, wird das Gemisch wiederum dem Verdichter zugeführt und schließlich zusammen mit zusätzlicher Frischluft und eventuell zugeführtem Brennstoff wieder der Brennkammer zugeführt. Es erfolgt also keine direkte Ausströmung von Blowby-Gas in die Umwelt.
An einer vorgegebenen Position entlang des Frischluftkanals ist der Verdichter angeordnet. Der stromauf des Verdichters angeordnete Abschnitt des Frischluftkanals wird auch als Ansaugluftstrecke bezeichnet, der stromab liegende Abschnitt als Ladeluftstrecke. Im Betrieb liegt stromauf des Verdichters ein geringerer Druck vor als stromab des Verdichters. Dieser Druckunterschied ist besonders zum Betrieb der Saugstrahlpumpe geeignet. Mit anderen Worten: die vom Verdichter verdichtete Frischluft dient als Treibmittel. Daher ist der Treibmittelanschluss mit dem Frischluftkanal stromab des Verdichters verbunden. Die Verwendung von verdichteter Frischluft, auch als Ladeluft bezeichnet ist auch deshalb besonders vorteilhaft, da die Menge an erzeugtem Blowby-Gas typischerweise proportional zum Ladeluftvolumenstrom ist, das heißt insbesondere zur Menge an Frischluft, die in die Brennkammer geführt wird. Das heißt wiederum, dass im Falle eines Anstiegs der Menge an zu entlüftendem Blowby-Gas automatisch auch die Menge an als Treibmittel verwendeter Frischluft erhöht wird. Die Entlüftung des Kurbelwellengehäuses ist dadurch insbesondere automatisch geregelt. Zudem ist insbesondere auch der mittlere Durchmesser der Öltropfen im Wesentlichen umgekehrt proportional zum Ladeluftvolumenstrom. Damit ist im Falle eines reduzierten mittleren Durchmessers auch automatisch die Menge an Treibmittel erhöht. Dies wirkt einer Reduktion der Effizienz des Ölabscheiders aufgrund einer verringerten Durchmessers der Öltropfen vorteilhaft entgegen.
Die von der Saugstrahlpumpe erzeugte, zusätzliche Druckdifferenz eignet sich daher besonders zum Betrieb eines auf Trägheit basierenden Ölabscheiders. Bei einem solchen Ölabscheider wird das Blowby-Gas typischerweise in den Ölabscheider eingeströmt oder mittels einer Düse eingedüst, wobei die im Blowby-Gas enthaltenen Öltropfen jeweils eine bestimmte Geschwindigkeit aufweisen. Insbesondere weisen die Öltropfen in der Düse die gleiche Geschwindigkeit wie das Blowby-Gas auf und die Geschwindigkeit ist proportional zur Druckdifferenz. Die Effizienz des Ölabscheiders ist dabei von der Geschwindigkeit der Öltropfen abhängig. Durch eine geeignete Ausgestaltung des Ölabscheiders ist es möglich, die Öltropfen beim Einströmen zu beschleunigen, um eine höhere Geschwindigkeit und Effizienz zu erzielen. Dies ist jedoch lediglich im Rahmen der zur Verfügung stehenden Druckdifferenz möglich, da eine Erhöhung der Geschwindigkeit einen entsprechenden Druckabfall bedingt. Um ein Rücksaugen von Öl durch Ölrückführungskanal und insbesondere in den Ölabscheider zu vermeiden darf der durch diesen erzeugte Druckabfall die erlaubte Druckdifferenz nicht übersteigen. Vorteilhafterweise ist im Ölrückführungskanal ein Rückschlagventil angeordnet, um ein solches Rücksaugen zu verhindern. Nichtsdestoweniger ist die zur Beschleunigung der Öltropfen im Ölabscheider zur Verfügung stehende Druckdifferenz begrenzt und möglicherweise nicht optimal und ist insbesondere abhängig von der Auslegung des Motors und dem maximal erzeugten Menge an Blowby-Gas, das heißt dem maximal möglichen Volumenstrom an Blowby-Gas. Dies ist insbesondere bei der oben beschriebenen Auslegung eines Verbrennungsmotors mit einer lediglich geringen Druckdifferenz der Fall; die Effizienz des Ölabscheiders ist hierbei entsprechend beschränkt. Durch die Saugstrahlpumpe ist jedoch insbesondere eine zusätzliche Druckdifferenz erzeugbar, die entsprechend zur Verbesserung der Effizienz des Ölabscheiders nutzbar ist. Ein als Trägheitsabscheider ausgelegter Ölabscheider ist deshalb besonders bevorzugt, insbesondere da ein mit einem solchen Ölabscheider ausgerüsteter Verbrennungsmotor wartungsärmer und kostengünstiger ist im Vergleich zu einem mit einem aktiven Ölabscheider ausgerüsteten Verbrennungsmotor.
Die für den Betrieb des Ölabscheiders verfügbare Druckdifferenz entspricht der Differenz von Drücken stromauf und stromab des Ölabscheiders, das heißt am Einlass und am Auslass des Ölabscheiders. Dabei wird über den Einlass das Blowby-Gas in den Ölabscheider eingeleitet und am Auslass dann gefiltertes Blowby-Gas ausgeströmt. In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt im Betrieb im Entlüftungskanal stromauf des Ölabscheiders ein erster Druck vor und im Entlüftungskanal stromab des Ölabscheiders ein zweiter Druck, der geringer ist als der erste Druck, wobei die Druckdifferenz zwischen erstem und zweitem Druck mithilfe der Saugstrahlpumpe eingestellt ist und in einem Bereich von wenigstens 10 mbar und höchstens 150 mbar liegt. Eine Druckdifferenz aus dem angegebenen Bereich ist besonders geeignet für einen effizienten Betrieb des Ölabscheiders, insbesondere im Falle eines Hochleistungsmotors für einen PKW. Dabei ist es möglich, dass der von der Saugstrahlpumpe beigetragene Anteil an der Druckdifferenz deutlich größer ist, als die intrinsisch vorhandene Druckdifferenz, das heißt die Druckdifferenz im Fall ohne Saugstrahlpumpe. Beispielsweise beträgt die Druckdifferenz ohne Saugstrahlpumpe lediglich 5 mbar und mit Saugstrahlpumpe 100 mbar.
Die Verwendung einer Saugstrahlpumpe zur Effiziensteigerung des Ölabscheiders eignet sich besonders für einen Hochleistungs-Verbrennungsmotor mit hoher Literleistung, bei dem die Öltropfen im erzeugten Blowby-Gas einen im Vergleich zu Verbrennungsmotoren mit geringerer Literleistung einen geringeren mittleren Durchmesser aufweisen. Hierbei sind insbesondere Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen gemeint. Bei diesen beträgt der mittlere Durchmesser häufig etwa 1 μm, in bestimmten Ausgestaltungen jedoch weniger, beispielsweise lediglich etwa 0,5 μm. Insbesondere in letzterem Fall wird durch die oben beschriebene Anordnung eine besonders hohe Effizienz des Ölabscheiders erzielt. Ohne Saugstrahlpumpe hingegen wäre die Effizienz für Öltropfen geringeren mittleren Durchmessers deutlich geringer. In einer geeigneten Ausgestaltung ist der Verbrennungsmotor daher derart ausgebildet, dass das Blowby-Gas im Betrieb Öltropfen mit einem mittleren Durchmesser von 0,4 bis 1,5 μm aufweist, insbesondere bis 0,6 μm.
Um eine Verschmutzung der Saugstrahlpumpe durch Öltropfen zu vermeiden oder zumindest zu verringern ist die Saugstrahlpumpe zweckmäßigerweise bezüglich des Ölabscheiders stromab im Entlüftungskanal angeordnet. Mit anderen Worten: das mit Öltropfen versetzte Blowby-Gas wird zunächst durch den Ölabscheider geleitet und dort gefiltert und strömt erst anschließend über den Sauganschluss in die Saugstrahlpumpe. Die Saugstrahlpumpe wirkt demnach saugend bezüglich des Ölabscheiders. Durch Vermischen von Saugmittel und Treibmittel in der Saugstrahlpumpe findet insbesondere eine Abkühlung des Saugmittels, das heißt hier des Blowby-Gases statt, da die zugemischte Frischluft typischerweise kühler ist. Durch die Anordnung der Saugstrahlpumpe stromab des Ölabscheiders wird zudem im Ölabscheider zweckmäßigerweise eine Kondensation von möglicherweise im Blowby-Gas enthaltenem Wasser und insbesondere die Abscheidung von Wassertropfen vermieden.
Dagegen ist eine Anordnung der Saugstrahlpumpe stromab des Ölabscheiders vorteilhaft in Hinsicht auf den durch den Ölabscheider geleiteten Volumenstrom. Der Ölabscheider weist bezüglich des Volumenstroms häufig einen Arbeitsbereich auf, in dem die Effizienz maximal ist. Durch ein Mischen von Saugmittel und Treibmittel wird daher vorzugsweise ein für den Betrieb des Ölabscheiders optimaler Volumenstrom bereitgestellt. In einer alternativen geeigneten Ausgestaltung ist die Saugstrahlpumpe daher bezüglich des Ölabscheiders stromauf im Entlüftungskanal angeordnet. In dieser Ausführungsform strömt im Betrieb die Frischluft mit einem vorgegebenen Treibmittelvolumenstrom in die Saugstrahlpumpe ein und das Blowby-Gas mit einem vorgegebenen Saugmittelvolumenstrom. Die Frischluft als Treibmittel und das Blowby-Gas als Saugmittel vermischen sich in der Saugstrahlpumpe zu einem Treibmittel/Saugmittel-Gemisch, auch kurz als Gemisch bezeichnet. Dieses strömt dann mit einem vorgegebenen Summenvolumenstrom durch den Ölabscheider. Dabei hängt der Saugmittelvolumenstrom insbesondere vom Betriebsmodus des Verbrennungsmotors ab und unterliegt möglicherweise zeitlichen Schwankungen. Um den Ölabscheider dennoch möglichst effizient zu betreiben ist der Treibmittelvolumenstrom daher zweckmäßigerweise in Abhängigkeit des Summenvolumenstroms oder des Saugmittelvolumenstroms einstellbar. Geeigneterweise ist der Treibmittelvolumenstrom derart einstellbar, dass trotz eines möglicherweise variierenden Saugmittelvolumenstroms der Summenvolumenstrom ungefähr konstant ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Summenvolumenstrom im Betrieb im Wesentlichen konstant und beträgt wenigstens 100 l/min und höchstens 400 l/min, wodurch der Verbrennungsmotor zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug besonders geeignet ist. Prinzipiell ist es dabei auch möglich, dass der Summenvolumenstrom im Betrieb deutlich geringer als 100 l/min ist, beispielsweise lediglich etwa 60 l/min, oder größer ist als 400 l/min.
Zum Einstellen des Treibmittelvolumenstromes ist stromauf des Treibmittelanschlusses zweckmäßigerweise eine Drossel angeordnet. Diese ist beispielsweise als Drosselklappe in einer rohrförmigen Zuleitung zum Treibmittelanschluss ausgebildet. Mittels der Drossel ist es dann möglich, den Treibmittelvolumenstrom einzustellen. Dies erfolgt bevorzugterweise automatisch durch eine geeignete Steuerungsvorrichtung, die zunächst den Saugmittelvolumenstrom oder einen anderen davon abhängigen Parameter ermittelt und daraufhin die Drossel einstellt oder auch steuert.
Der Verbrennungsmotor umfasst typischerweise eine Zylinderkopfhaube, die insbesondere die Brennkammer abdeckt. Im Falle eines Mehrzylindermotors ist häufig eine Zylinderkopfhaube zur gemeinsamen Abdeckung aller Brennkammern vorgesehen. Um eine besonders kompakte Bauweise des Verbrennungsmotors zu ermöglichen ist der Ölabscheider an der Zylinderkopfhaube befestigt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 einen Verbrennungsmotor in schematischer Darstellung,
2 eine Variante des Verbrennungsmotors gemäß 1,
3 den Relativdruck als Funktion der Position in dem Verbrennungsmotor gemäß 1, und
4 den Relativdruck als Funktion der Position in dem Verbrennungsmotor gemäß 2.
Funktional ähnliche Elemente sind hierbei mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 2. Dieser umfasst mehrere Zylinder 4 mit jeweils einer nicht näher dargestellten Brennkammer. Diese wird in nicht näher gezeigter Weise von einer auf den Zylindern 4 angebrachten Zylinderkopfhaube und einem jeweils in einem der Zylinder 4 laufenden Kolben begrenzt. Der Kolben ist mit einer Kurbelwelle verbunden, die in einem von einem Kurbelwellengehäuse 6 umgebenen Triebwerksraum angeordnet ist. Das Kurbelwellengehäuse 6 schließt sich dabei an die Zylinder 4 an, das heißt, die Brennkammer und der Triebwerksraum sind lediglich durch den Kolben voneinander getrennt.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Verbrennungsmotor 2 zweistufig aufgeladen und umfasst demnach zwei Turbolader 8 mit jeweils einem Verdichter 10 und einer Turbine 12. Alternativ ist es möglich, dass der Verbrennungsmotor 2 lediglich einfach aufgeladen betrieben wird und dann lediglich einen Turbolader 8 aufweist. Daher wird im Folgenden auch die Kombination von zwei hintereinander angeordneten Verdichtern 10 allgemein als Verdichter 10 bezeichnet; Gleiches gilt sinngemäß auch für die Turbinen 12.
Die Brennkammer wird über einen Frischluftkanal 14 mit Frischluft versorgt. Diese wird in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel über einen nicht näher gezeigten Frischluftfilter aus der Umgebung angesaugt und über eine Ansauglufstrecke 14A dem Verdichter 10 zugeführt. Dieser verdichtet die Frischluft und leitet diese weiter in eine Ladeluftstrecke 14B, die schließlich zur Brennkammer führt. Entlang der Ladeluftstrecke 14B ist desweiteren ein Ladeluftkühler 16 angeordnet. Die Ansaugluftstrecke 14A und die Ladeluftstrecke 14B bilden jeweils einen Teil des Frischluftkanals 14.
Auf dem Weg zur Brennkammer wird der Frischluft in hier nicht näher dargestellter Weise Brennstoff zugemischt, zur Erzeugung eines Brennstoff/Luft-Gemisches, das anschließend in der Brennkammer zum Antreiben des Kolbens verbrannt wird. Die beim Verbrennen erzeugten Abgase werden aus der Brennkammer heraus und in ein Abgasrückführungssystem 18 geführt. Dieses umfasst einen Abgaskanal 20, der die Abgase von der Brennkammer zunächst zur Turbine 12 des Turboladers 8 führt und darauffolgend durch einen Abgasfilter 22. Stromab des Abgasfilters 22 wird ein Teil der Abgase der Ansaugluftstrecke 14A zugeführt und der verbleibende Teil ausgestoßen. Zusätzlich umfasst das Abgasrückführungssystem 18 stromauf der Turbine 12 eine Abzweigung 24 zu einem Rückführungsabschnitt 26 mittels dessen ein Teil der Abgase direkt der zur Brennkammer geführten Ladeluft beigemischt wird. Auf dem Rückführungsabschnitt 26 ist insbesondere ein Kühler 28 angeordnet. Dabei stellt das hier beschriebene Abgasrückführungssystem 18 lediglich ein Beispiel dar und kann in einer alternativen Ausführungsform des Verbrennungsmotors 2 insbesondere auch unterschiedlich ausgestattet sein.
Zum Einstellen des Drucks an verschiedenen Stellen des Verbrennungsmotors 6 sind in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zusätzlich eine Anzahl von Druckregelventilen 30 angeordnet. Je nach Auslegung des Verbrennungsmotors 2 kann auf eine Anzahl der hier gezeigten Druckregelventile 30 verzichtet werden und/oder es können weitere Druckregelventile 30 vorgesehen sein. Insbesondere ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein Druckregelventil 30A stromab des Kurbelwellengehäuses 6 vorgesehen, um eine zu starke Evakuierung desselben und einen damit einhergehenden Druckabfall zu verhindern.
Im Betrieb läuft die Mantelfläche des Kolbens an der Innenwand des Zylinders 4 auf und ab, wobei ein bestimmter Zwischenraum verbleibt, der üblicherweise mittels einer Anzahl von Kolbenringen abgedichtet wird. Diese sorgen zusätzlich für die kontinuierliche Erneuerung eines auf die Innenwand zur weiteren Abdichtung aufgetragenen Ölfilms. Während des Verbrennungstaktes strömt jedoch aufgrund des in der Brennkammer entstehenden Überdrucks ein Teil der Abgase als Blowby-Gas an der Mantelfläche vorbei in das Kurbelwellengehäuse 6. Dabei wird außerdem Öl in Form von Öltropfen mitgerissen. Diese weisen einen mittleren Durchmesser von beispielsweise 0,5 μm auf.
Um einen Druckanstieg im Kurbelwellengehäuse 6 zu vermeiden ist dieses mit einem Entlüftungskanal 32 verbunden. Dieser dient der Ableitung von Blowby-Gas aus dem Kurbelwellengehäuse 6 zum Frischluftkanal 14, wodurch dort ein Frischluft/Blowby-Gemisch gebildet wird. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Entlüftungskanal 32 mit der Ansaugluftstrecke 14A verbunden und das Blowby-Gas wird demnach stromauf des Verdichters 10 eingeleitet.
Zum Herausfiltern der im Blowby-Gas enthaltenen Öltropfen ist an einer vorgegebenen Position im Entlüftungskanal 32 ein Ölabscheider 34 angeordnet. Mit anderen Worten: der Ölabscheider 34 teilt den Entlüftungskanal 32 in einen bezüglich des Ölabscheiders 34 stromauf liegenden Abschnitt 32A und einen stromab liegenden Abschnitt 32B. Weiterhin weist der Ölabscheider 34 einen Einlass 36 auf, durch den das Blowby-Gas vom Kurbelwellengehäuse 6 aus über den stromauf des Ölabscheiders 34 liegenden Abschnitt 32A des Entlüftungskanals 32 einströmt.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Ölabscheider 34 in nicht näher gezeigter Weise an der Zylinderkopfhaube des Verbrennungsmotors 2 befestigt und als ein sogenannter Trägheitsabscheider ausgelegt. Dieser ist in 1 vereinfacht als Prallwand dargestellt. Alternativ ist der Ölabscheider 34 als sogenannter Zyklon ausgelegt. Die Effizienz der Abscheidung von Öltropfen hängt insbesondere von der Geschwindigkeit und der Größe, das heißt im Wesentlichen der Masse der Öltropfen ab. Dabei gilt allgemein, dass die Effizienz des Ölabscheiders 34, das heißt dessen Abscheiderate größer ist, für größere Öltropfen und Öltropfen mit größerer Geschwindigkeit.
Das mittels des Ölabscheiders 34 abgeschiedene Öl wird über einen Ölrückführungskanal 38 in eine im Kurbelwellengehäuse 6 angeordnete und hier nicht näher gezeigte Ölwanne zurückgeführt. Das gefilterte Blowby-Gas wird über einen Auslass 40 des Ölabscheiders 34 in den stromab desselben liegenden Abschnitt 32B des Entlüftungskanals 32 geleitet, der wiederum mit dem Frischluftkanal 14 verbunden ist. Auf diese Weise wird das gefilterte Blowby-Gas mittelbar der Brennkammer zugeführt.
Stromab des Ölabscheiders 34 ist im Entlüftungskanal 32 eine Saugstrahlpumpe 42 angeordnet, wobei diese einen Saugmittelanschluss 44 aufweist, der mit dem Entlüftungskanal 32 verbunden ist, zum Ansaugen des Blowby-Gases. Das Blowby-Gas ist demnach das Saugmittel der Saugstrahlpumpe 42. Um eine entsprechende Saugwirkung zu erzielen umfasst die Saugstrahlpumpe 42 einen Treibmittelanschluss 46, zur Zuführung eines Treibmittels. in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel dient die Frischluft als Treibmittel, genauer gesagt, die stromab des Verdichters 10 im Frischluftkanal 14 vorliegende verdichtete Frischluft, die auch als Ladeluft bezeichnet wird. Der Treibmittelanschluss 46 ist daher mit der Ladeluftstrecke 14B verbunden. Auf diese Weise ist es möglich, das aufgrund des Verdichters 10 zwischen Ladeluftstrecke 14B und Ansaugluftstrecke 14A vorliegende Druckgefälle zum Einspeisen von verdichteter Frischluft als Treibmittel zu verwenden. Über einen Auslassanschluss 48 ist die Saugstrahlpumpe 42 mit dem Frischluftkanal 14 verbunden, insbesondere mit der Ansaugluftstrecke 14A.
Im Betrieb liegt am Einlass 36 des Ölabscheiders 34 ein erster Druck P1 vor, der im Wesentlichen dem Druck im Kurbelwellengehäuse 6 entspricht. Am Auslass 40 des Ölabscheiders 34 liegt ein zweiter Druck P2 vor, der im Fall ohne Saugstrahlpumpe 42 im Wesentlichen dem Druck in der Ansaugluftstrecke 14A entspräche. Durch die Saugstrahlpumpe 42 ist es jedoch möglich, zumindest einen Teil der Energie des Treibmittels auf das Saugmittel zu übertragen, wodurch eine Saugwirkung am Ölabscheider 34 erzielt wird und auf diese Weise der Druck P2 am Auslass 40 des Ölabscheiders 34 relativ zum Druck P1 am Einlass 36 reduziert ist. Mit anderen Worten: mittels der Saugstrahlpumpe 42 wird die Druckdifferenz P1 – P2, das heißt die Differenz zwischen erstem Druck P1 und zweitem Druck P2 vergrößert. Dadurch werden wiederum die Öltropfen im Ölabscheider 34 stärker beschleunigt, das heißt deren Geschwindigkeit erhöht und somit die Effizienz des Ölabscheiders 34 gesteigert.
Der Ölabscheider 34 weist insbesondere einen vorgegebenen, optimalen Arbeitsbereich auf. Darunter wird verstanden, dass der Ölabscheider 34 für einen bestimmten diesem zugeführten Volumenstrom an Blowby-Gas ausgelegt ist. Allerdings kann die Menge an produziertem Blowby-Gas variieren, das heißt der im Betrieb erzeugte Saugmittelvolumenstrom VS ist vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors 2 abhängig. Um dennoch den Ölabscheider 34 unter optimalen Bedingungen, das heißt hier mit einem optimalen Volumenstrom zu betreiben, ist der Verbrennungsmotor 2 gemäß der in 2 dargestellten Variante ausgebildet. In der dort gezeigten Ausführungsform ist die Saugstrahlpumpe 42 stromauf des Ölabscheiders 34 angeordnet. Mit anderen Worten: der Saugmittelanschluss 44 ist im stromauf des Ölabscheiders 34 liegenden Abschnitt 32A des Entlüftungskanals 32 angeordnet. Das Blowby-Gas wird folglich direkt aus dem Kurbelwellengehäuse 6 angesaugt und in der Saugstrahlpumpe 42 zunächst mit dem Treibmittel zu einem Blowby/Frischluft-Gemisch, kurz Gemisch genannt vermischt. Dabei wird das Treibmittel mit einem bestimmten Treibmittelvolumenstrom VT zugeführt und das Gemisch weist folglich einen Summenvolumenstrom VG auf, der sich aus der Summe des Saugmittel- VS und des Treibmittelvolumenstroms VT ergibt. Das Gemisch wird anschließend über den Auslassanschluss 48 der Saugstrahlpumpe 42 dem Ölabscheider 34 zugeführt.
Um im Falle eines variierenden Saugmittelvolumenstroms VS den Ölabscheider 34 mit einem möglichst konstanten Volumenstrom, das heißt Summenvolumenstrom VG zu betreiben ist stromauf des Treibmittelanschlusses 46 eine Drossel 50 angeordnet. Mittels dieser ist es möglich, den Treibmittelvolumenstrom VT derart einzustellen, dass bei variierendem Saugmittelvolumenstrom VS der Summenvolumenstrom VG etwa konstant ist oder zumindest innerhalb des Arbeitsbereiches des Ölabscheiders 34 liegt. Die Drossel 50 ist dazu beispielsweise als Drosselklappe ausgebildet. Bei verringertem Saugmittelvolumenstrom VS wird dann die Drossel 50 geöffnet und auf diese Weise der Treibmittelvolumenstrom VT erhöht sowie der Summenvolumenstrom VG konstant gehalten.
Um die jeweils in einem bestimmten Abschnitt vorliegende Strömungsrichtung zu veranschaulichen sind in den 1 und 2 zusätzliche Pfeile eingezeichnet.
Zur Verdeutlichung der Druckverhältnisse entlang des Entlüftungskanals 32 zeigen die 3 und 4 jeweils ein Diagramm, in dem der Relativdruck, das heißt Druck relativ zum Umgebungsdruck als Funktion der Position im Entlüftungspfad 32 aufgetragen ist. Dabei liegt der 3 die in 1 gezeigte Anordnung von Ölabscheider 34 und Saugstrahlpumpe 42 relativ zueinander zugrunde und der 4 die in 2 gezeigte Variante. Das jeweilige Diagramm umfasst einen ersten Graphen 52, welcher in vereinfachter Weise den Relativdruck in dem jeweiligen Verbrennungsmotor 2 angibt. Ein zweiter Graph 54 zeigt zum Vergleich den Relativdruck für den Verbrennungsmotor 2 ohne die Saugstrahlpumpe 42. Die gestrichelte, horizontale Linie gibt dabei den Umgebungsdruck an. Die dargestellten Graphen 52, 54 stellen insbesondere keine Messergebnisse dar, sondern sind lediglich exemplarisch zu verstehen. Insbesondere sind die exakten Werte des Relativdrucks abhängig von der Auslegung und dem Betriebsmodus des Verbrennungsmotors 2.
Entlang der Abszisse des Diagramms sind die vom Blowby-Gas nacheinander entlang des Entlüftungspfades 32 durchlaufenen Abschnitte A_KGW, A_ÖA, A_SSP, A_EK, A_AS markiert, beginnend mit dem Abschnitt des Kurbelwellengehäuses A_KGW. Darauf folgen in 3 die Abschnitte des Ölabscheiders A_ÖA, der Saugstrahlpumpe A_SSP, diese ist lediglich jeweils im ersten Graphen vorhanden, des Entlüftungskanals A_EP und schließlich der Ansaugstrecke A_AS. Dabei ist der Abschnitt des Entlüftungskanals A_EK hier exemplarisch als auf den Ölabscheider 34 und die Saugstrahlpumpe 42 folgend dargestellt und zu einem zusammenhängenden Abschnitt zusammengefasst. Als Teil dieses Abschnittes A_EK ist möglicherweise auch ein in dem Entlüftungskanal 32 angeordnetes Druckregelventil 30A vorhanden, das hier nicht näher dargestellt ist. In 4 sind Ölabscheider 34 und Saugstrahlpumpe 42 entsprechend vertauscht.
Deutlich zu erkennen ist im jeweils ersten Graphen 52 eine durch die Saugstrahlpumpe 42 erzielte Saug- beziehungsweise Druckwirkung, welche die zwischen Einlass 36 und Auslass 40 des Ölabscheiders 34 vorliegende Druckdifferenz P1 – P2 deutlich erhöht. Im Fall ohne Saugstrahlpumpe 42 steht lediglich die zwischen Kurbelwellengehäuse 6 und Druckregelventil 30A vorliegende, deutlich geringere Druckdifferenz zur Verfügung. Ein wesentliches Merkmal des zweiten Graphen 54 ist insbesondere, dass der Relativdruck entlang des Entlüftungspfades 32 lediglich geringer wird oder zumindest konstant bleibt und auf keinem der Abschnitte A_KGW, A_ÖA, A_DRV, A_AS ansteigt. Im ersten Graphen 52 dagegen erzeugt die Saugstrahlpumpe 42 einen Anstieg des Relativdrucks, wodurch ein deutlich stärkerer Druckabfall über dem Ölabscheider 34 realisierbar ist.
Bezugszeichenliste

2: Verbrennungsmotor
4: Zylinder
6: Kurbelwellengehäuse
8: Turbolader
10: Verdichter
12: Turbine
14: Frischluftkanal
14A: Ansaugluftstrecke
14B: Ladeluftstrecke
16: Ladeluftkühler
18: Abgasrückführungssystem
20: Abgaskanal
22: Abgasfilter
24: Abzweigung
26: Rückführungsabschnitt
28: Kühler
30: Druckregelventil
30A: Druckregelventil
32: Entlüftungskanal
32A: Abschnitt (stromauf des Ölabscheiders)
32B: Abschnitt (stromab des Ölabscheiders)
34: Ölabscheider
36: Einlass (des Ölabscheiders)
38: Ölrückführungskanal
40: Auslass (des Ölabscheiders)
42: Saugstrahlpumpe
44: Saugmittelanschluss
46: Treibmittelanschluss
48: Auslassanschluss
50: Drossel
52: erster Graph
54: zweiter Graph
A_AS: Abschnitt der Ansaugstrecke
A_EK: Abschnitt des Entlüftungskanals
A_KGW: Abschnitt des Kurbelwellengehäuses
A_ÖA: Abschnitt des Ölabscheiders
A_SSP: Abschnitt der Saugstrahlpumpe
P1: erster Druck
P2: zweiter Druck
P1 – P2: Druckdifferenz
VG: Summenvolumenstrom
VS: Saugmittelvolumenstrom
VT: Treibmittelvolumenstrom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010018150 A1 [0002]

Claims

Verbrennungsmotor (2) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Brennkammer, mit einem Kurbelwellengehäuse (6), mit einem einen Verdichter (10) umfassenden Turbolader (8), wobei zur Brennkammer ein Frischluft führender Frischluftkanal (14) führt, in dem der Verdichter (10) angeordnet ist, und wobei vom Kurbelwellengehäuse (6) zum Frischluftkanal (14) ein Entlüftungskanal (32) führt, in dem ein Ölabscheider (34) angeordnet ist, sowie mit einer Saugstrahlpumpe (42) zum Ansaugen von Blowby-Gas aus dem Kurbelwellengehäuse (6) über einen Saugmittelanschluss (44) der Saugstrahlpumpe (42) mithilfe eines über einen Treibmittelanschluss (46) bereitgestellten Treibmittels, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibmittelanschluss (46) mit dem Frischluftkanal (14) stromab des Verdichters (10) verbunden ist, zur Zuführung von verdichteter Frischluft als Treibmittel.
Verbrennungsmotor (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölabscheider (34) als Trägheitsabscheider ausgelegt ist.
Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb im Entlüftungskanal (32) stromauf des Ölabscheiders (34) ein erster Druck (P1) vorliegt und im Entlüftungskanal (32) stromab des Ölabscheiders (34) ein zweiter Druck (P2), der geringer ist als der erste Druck (P1), wobei die Druckdifferenz (P1 – P2) zwischen erstem und zweitem Druck (P1, P2) mithilfe der Saugstrahlpumpe (42) eingestellt ist in einem Bereich von wenigstens 10 mbar und höchstens 150 mbar.
Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser derart ausgebildet ist, dass das Blowby-Gas im Betrieb Öltropfen mit einem mittleren Durchmesser von 0,4 bis 1,5 μm aufweist.
Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugstrahlpumpe (42) bezüglich des Ölabscheiders (34) stromab im Entlüftungskanal (32) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugstrahlpumpe (42) bezüglich des Ölabscheiders (34) stromauf im Entlüftungskanal (32) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb die Frischluft mit einem vorgegebenen Treibmittelvolumenstrom (VT) in die Saugstrahlpumpe (42) einströmt und das Blowby-Gas mit einem vorgegebenen Saugmittelvolumenstrom (VS), sowie dass ein Treibmittel/Saugmittel-Gemisch mit einem vorgegebenen Summenvolumenstrom (VG) durch den Ölabscheider (34) strömt, wobei der Treibmittelvolumenstrom (VT) in Abhängigkeit des Summenvolumenstroms (VG) oder des Saugmittelvolumenstromes (VS) einstellbar ist.
Verbrennungsmotor (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Summenvolumenstrom (VG) im Betrieb auf einen im Wesentlichen konstanten Wert eingestellt ist und insbesondere wenigstens 100 l/min und höchstens 400 l/min beträgt.
Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf des Treibmittelanschlusses (46) eine Drossel (50) angeordnet ist zum Einstellen eines Treibmittelvolumenstroms (VT).
Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Zylinderkopfhaube umfasst und der Ölabscheider (34) an dieser befestigt ist.
Verbrennungsmotor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölabscheider (34) mittels eines Ölrückführungskanales (38) mit dem Kurbelwellengehäuse (6) verbunden ist, zur Rückführung von im Ölabscheider (34) aus dem Abgas herausgefiltertem Öl.
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (2) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Brennkammer, mit einem Kurbelwellengehäuse (6), mit einem einen Verdichter (10) umfassenden Turbolader (8), wobei Frischluft zur Brennkammer geführt wird mittels eines Frischluftkanals (14), in dem der Verdichter (10) angeordnet ist, und wobei vom Kurbelwellengehäuse (6) zum Frischluftkanal (14) ein Entlüftungskanal (32) führt, in dem ein Ölabscheider (34) angeordnet ist, sowie mit einer Saugstrahlpumpe (42) mittels der über einen Saugmittelanschluss (44) Blowby-Gas aus dem Kurbelwellengehäuse (6) angesaugt wird, mithilfe eines Treibmittels, das über einen Treibmittelanschluss (48) bereitgestellt wir, der mit dem Frischluftkanal (14) stromab des Verdichters (10) derart verbunden ist, dass verdichtete Frischluft als Treibmittel zugeführt wird.