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Die Erfindung betrifft eine Ölabscheideeinrichtung.
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Bei der Reinigung von Kurbelgehäuseentlüftungsgasen geht es um die Phasentrennung einer dispersen Phase in Form von kleinen Öltropfen in der Größenordnung von 1 μm und kleiner, verteilt in der gasförmigen Phase des Entlüftungsgases. Diese Phasentrennung wird als Ölabscheidung bezeichnet. Für diesen physikalischen Vorgang der Phasentrennung ist eine kontinuierliche Energiezufuhr (Leistungszufuhr) erforderlich. Jeder passiv-angetriebene Ölabscheider entnimmt dem Kurbelgehäuseentlüftungssystem einen bestimmten Anteil der zur Verfügung stehenden Leistung in Form eines Druckverlusts, der sich beispielsweise beim Durchströmen der Poren eines Filters oder beim Durchströmen eines Zyklons ergibt. Je mehr Leistung der Ölabscheider aufnimmt, desto größer ist das Potential für einen hohen Ölabscheidegrad. Die zur Verfügung stehende Leistung im Kurbelgehäuseentlüftungssystem ist jedoch begrenzt und zudem in Abhängigkeit des Motorbetriebszustands stark schwankend.
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Zur Ölabscheidung sind insbesondere im Automobilbereich geregelte und ungeregelte Ölabscheider bekannt.
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Ungeregelte Ölabscheider weisen keinen Regelkreis mit Regel- und Stellgröße zur variablen Anpassung des Druckverlusts auf. Ein ungeregelter Ölabscheider wird von den Entlüftungsgasen durchströmt und weist bei einem bestimmten Volumenstrom immer denselben Druckverlust auf, der mit steigendem Volumenstrom nach einer Ölabscheider-spezifischen Druckverlustkennlinie kontinuierlich ansteigt. Der Kurbelgehäusedruck einer Brennkraftmaschine schwankt und ergibt sich aus dem vom Entlüftungsvolumenstrom abhängigen Druckverlust des Ölabscheiders und des Saugrohrunterdrucks (Saugrohrunterdruck – Druckverlust = Kurbelgehäusedruck). Gemäß gesetzlicher Vorschrift und Motorenhersteller-Spezifikation dürfen keine unzulässigen Kurbelgehäuse-Überdrücke entstehen. Da der Kurbelgehäusedruck von den Eingangsgrößen Saugrohrdruck und Ölabscheiderdruckverlust abhängig ist, muss der Ölabscheiderdruckverlust bei ungeregelten Ölabscheidern sehr gering gehalten werden, damit auch bei Motorbetriebszuständen, bei denen nur ein sehr geringer Saugrohrunterdruck zur Verfügung steht (hohe Last, geringe Drehzahl), der Kurbelgehäusedruck möglichst im Unterdruckbereich gehalten wird. Bei Motorbetriebszuständen hingegen, bei denen hohe Saugrohrunterdrücke zur Verfügung stehen und nur geringe Entlüftungsgasvolumenströme vorliegen (geringe Last, hohe Drehzahl) wäre ein höherer Druckverlust des Ölabscheiders vorteilhaft, um die zur Verfügung stehende Leistung (Saugrohrunterdruck × Blow-By-Volumenstrom = zur Verfügung stehende Leistung) für die Ölabscheidung zu nutzen. Da sich die auf geringe Druckverluste ausgelegte Druckverlustkennlinie eines ungeregelten Ölabscheiders nicht ändern kann, können die höheren zur Verfügung stehenden Leistungen in bestimmten Motorbetriebszuständen für die Ölabscheidung je nach Motor nur zu einem sehr geringen Anteil genutzt werden.
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Mit den bisherigen ungeregelten Ölabscheidern (ungeschalteter oder geschalteter Zyklonabscheider (Polyswirl®), Impaktor und andere) kann je nach Motor, insbesondere bei höheren Drehzahlen, die zur Verfügung stehende Leistung nur zu einem geringen Bruchteil für die Ölascheidung genutzt werden, obwohl zur effektiven Abscheidung des Öleintrags, der mit steigender Drehzahl und Last zunimmt, ein höherer Leistungsaufnahmeanteil erforderlich wäre, um einen Anstieg des Ölverbrauchs zu verhindern.
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Bisherige ungeregelte Ölabscheider machen ein zusätzliches Unterdruckbegrenzungsventil (”Druckregelventil”) erforderlich, wenn die durch die Motorenbauart bedingte, im Kurbelgehäuseentlüftung vorhandene Leistung deutlich höher ist als die vom ungeregelten Ölabscheider genutzte Leistung und die nicht genutzte Leistung zu einem unzulässig hohen Kurbelgehäuseunterdruck führen würde.
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Ungeregelte Ölabscheider können ihren Druckverlust nicht automatisch an variierende Randbedingungen (Saugrohdruck, Volumenstrom) anpassen.
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Zur Reinigung von mit Ölpartikeln verunreinigten Kurbelgehäuseentlüftungsgasen werden für Serienanwendungen bislang ungeregelte Ölabscheider eingesetzt, die die Ölpartikel teilweise in Form eines Ölnebels abscheiden. Diese ungeregelten Ölabscheider basieren teilweise auf dem Trägheitsprinzip, bei dem durch eine scharfe Umlenkung der Kurbelgehäuseentlüftungsgase, beispielsweise innerhalb eines Zyklons, die Ölnebelpartikel der Strömung nicht mehr folgen können und herausgeschleudert werden. Desweiteren sind Ölabscheider bekannt, die auf dem Prinzip eines Diffusionsabscheiders basieren. Ein Ölabscheider der sowohl auf dem Prinzip eines Diffusionsabscheiders und auf dem Prinzip eines Trägheitsabscheiders basiert, ist aus
DE 37 01 587 C1 bekannt. Bei diesem Ölabscheider ist einem Zyklon als Trägheitsabscheider ein Filter aus einem synthetischen Vlies oder Metallgestrick, der auf dem Diffusionsabscheiderprinzip basiert, vorgeschaltet.
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Bei ausschließlich durchströmten Filtern besteht jedoch die Gefahr, dass diese sich über die Zeit mit Verunreinigungen zusetzen können und daher, wie bei Motorölfiltern von Brennkraftmaschinen allgemein bekannt, nicht wartungsfrei sind. Nach dem das Kurbelgehäuseentlüftungsgas aus dem Zyklon herausströmt, strömt es durch ein Unterdruckbegrenzungsventil auch Druckregelventil genannt. Die Erforderlichkeit von Unterdruckbegrenzungsventilen ist ein charakteristischer Nachteil von ungeregelten Ölabscheidern. Da ungeregelte Ölabscheider in den meisten Motorbetriebszuständen die zur Verfügung stehende Kurbelgehäuseentlüftungsleistung nur zu einem geringen Anteil zur Ölabscheidung nutzen können, muss die überschüssige Leistung durch den zusätzlichen Strömungswiderstand eines Unterdruckbegrenzungsventils abgebaut werden. Ohne ein solches Unterdruckbegrenzungsventil kann die bei ungeregelten Ölabscheidern überschüssige Leistung je nach Motor und Auslegung des Ölabscheiders zu einem unzulässig hohen Kurbelgehäuseunterdruck führen, durch den Dichtungen und druckempfindliche Bauteile überbelastet werden können.
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Eine Weiterentwicklung eines ungeregelten Ölabscheiders ist in
EP 2 052 136 B1 veröffentlicht. Bei diesem Ölabscheider sind zur Effizienzsteigerung mehrere kleinere tangential angeströmte Durchflussrohre parallelgeschaltet, von denen einige an der Gasauslassseite mit einem Ventil ausgerüstet sind, das in Abhängigkeit des Strömungsdrucks öffnet. Durch das parallele Hinzuschalten weiterer Durchflussrohre, kann die zur Ölabscheidung nach dem Trägheitsprinzip erforderliche hohe Strömungsgeschwindigkeit in den Durchflussrohren über einen größeren Volumenstrombereich auf einem näherungsweise gleichbleibenden Niveau gehalten werden, wodurch sich ein entsprechend gleichbleibend hoher Ölabscheidegrad ergibt. Auch wenn über die Hinzuschaltung weiterer Durchflussrohre der Druckverlust begrenzt, beziehungsweise dessen Anstieg verringert werden kann, handelt es sich bei diesem geschalteten Ölabscheider nach der Definition der Regelungstechnik nicht um einen geregelten Ölabscheider, da das Hinzuschalten zusätzlicher Durchflussrohre direkt vom Volumenstrom und dem daraus resultierenden Strömungsdruck am Ventil abhängig ist.
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Zur Lösung des Problems der vollständigen Nutzbarmachung der im Kurbelgehäuseentlüftungssystem zur Verfügung stehende Leistung auch bei unabhängig voneinander schwankenden Entlüftungsvolumenströmen und Saugrohrunterdrücken (zur Verfügung stehende Leistung im Kurbelgehäuseentlüftungssystem = Saugrohrunterdruck × Blow-By-Volumenstrom) zur Ölabscheidung ist in
DE 44 04 709 C1 ein geregelter Flüssigkeitsabscheider veröffentlicht, der auf einem Zyklon basiert, dessen tangentialer Einlassquerschnitt über eine pneumatische Verstellvorrichtung, bestehend aus einer Druckdose und einem Stellglied, in seiner Breite variabel ist. Der Nachteil dieses Systems ist der technische Aufwand zur Gewährleistung der beabsichtigten Funktion. Das Stellglied wird von einer separaten Druckdose angetrieben und muss zusätzlich über elastische nachgiebige An- und Abströmflächen zur Innenwandung abgedichtet werden. Zusätzlich muss, das Stellglied die Wandung zur tangentialen Einlassöffnung gasdicht durchdringen. Eine solche gasdichte Ausführung würde sehr enge Toleranzen erfordern und damit gleichzeitig die Gefahr erhöhen, dass bei geringen Störeinflüssen wie beispielsweise durch Verunreinigungen, Bauteilverzug oder Wärmeausdehnungsdifferenzen die Reibung bis zum vollständigen Blockieren ansteigt und die Funktion nicht mehr gewährleistet wäre.
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In
DE 11 2007 003 054 B4 ist ein Gas-Flüssigkeitsabscheider zur Abscheidung von Öl aus Kurbelgehäuseentlüftungsgasen eines Verbrennungsmotors beschrieben, der ebenfalls eine Druckdose, aufweist, die eine Aktorscheibe betätigt. Die Aktorscheibe bewegt sich quer zur Strömungsrichtung und gibt in Abhängigkeit der Druckdifferenz aus Kurbelgehäusedruck und Atmosphärendruck unterschiedliche Strömungsquerschnitte frei. Der Nachteil dieses durch den Differenzdruck geregelten Ölabscheiders ist, dass die Aktorscheibe über eine Fläche im Inneren des Gehäuses gezogen werden muss, wobei eine Haft- und Gleitreibung überwunden werden muss, die nicht nur von der Oberflächenbeschaffenheit abhängig ist, sondern vor allem auch von der auf die Aktorscheibe wirkenden Kraft, die mit höherem Druckverlust infolge kleinerer eingeregelter Strömungsquerschnitte ansteigt. Durch die Reibung wird sich eine Regelungshysterese (geringerer Hub des Aktors) ergeben, wodurch der Regelungsbereich reduziert ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine Ölabscheideeinrichtung zu schaffen mit der auch bei schwankenden Drücken und schwankenden Entlüftungsgas-Volumentströmen eine gute Ölabscheidung erzielt werden kann.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Ölabscheideeinrichtung gemäß Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Ölabscheideeinrichtung zur Reinigung von Kurbelgehäuseentlüftungsgasen weist zur geregelten Ölabscheidung neben einem Ölabscheider eine Drosseleinrichtung auf. Ein Gehäuse der Ölabscheideeinrichtung weist einen Gaseinlass auf. Dieser ist mit dem Kurbelgehäuse verbindbar, so dass durch den Gaseinlass mit Ölpartikeln verunreinigtes Gas in das Gehäuse der Ölabscheideeinrichtung einströmt. Ferner weist die Ölabscheideeinrichtung einen Auslass auf. Der Auslass ist mit einem Ansaugbereich eines Verbrennungsmotors wie beispielsweise einem Saugrohr verbindbar. Über einen gesonderten weiteren Auslass oder eine Abzweigung des Auslasses erfolgt vorzugsweise eine Ölab- bzw. eine Ölrückführung. Vorzugsweise wird das abgeschiedene Öl in das Kurbelgehäuse zurückgeführt.
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In Strömungsrichtung des Gases ist dem Auslass ein Ölabscheider vorgelagert. Dieser Ölabscheider weist insbesondere zum Abscheiden feiner Öltröpfchen vorzugsweise ein Filterelement auf. Als Ölabscheider könnte jedoch auch ein ausschließlich oder zusätzlich nach dem Prinzip der Trägheits-Ölabscheidung arbeitender Ölabscheider zum Beispiel ein Zyklon vorgesehen sein.
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Dem Ölabscheider ist in Strömungsrichtung eine Drosseleinrichtung vorgelagert. Die Drosseleinrichtung weist eine Drosselöffnung auf. Der Durchströmungsquerschnitt der Drosselöffnung ist variabel.
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Die Drosseleinrichtung der Ölabscheideeinrichtung weist einen in seiner Lage veränderbaren bzw. variierbaren Drosselkörper auf. Durch Verändern der Lage des Drosselkörpers kann der Durchströmungsquerschnitt der Drosselöffnung variiert werden. Der Drosselkörper ist derart ausgebildet, dass er in Hauptströmungsrichtung des durch den Gaseinlas in das Gehäuse einströmenden Gas-Ölgemisches verschiebbar ist. Die Hauptströmungsrichtung ist hierbei die Hauptrichtung, in die das Gas-Ölgemisch in das Gehäuse einströmt. Durch ein derartiges insbesondere axiales Verschieben des Drosselkörpers wird der Durchströmungsquerschnitt der Drosselöffnung variiert. Auf Grund dieser Verschiebung in Hauptströmungsrichtung vorzugsweise in Kombination mit den zum Regler radialen über den gesamten Umfang des Ölabscheider-Gehäuses gleichmäßig verteilten Auströmquerschnitten weist die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil auf, dass beispielsweise auftretende Reibung beim Verschieben des Drosselkörpers im Wesentlichen unabhängig von der Druckdifferenz zwischen Saugrohr- und Kurbelgehäusedruck ist. Die von Druckdifferenzen insbesondere durch die Hauptströmungsrichtung des Gases hervorgerufenen Kräfte wirken in oder entgegen der Bewegungsrichtung des Drosselkörpers und bewirkten somit im Unterschied zu senkrecht oder in einem Winkel wirkenden Kräften zur Bewegungsrichtung des Drosselkörpers keine Veränderung der auftretenden Reibung.
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Der Drosselkörper ist in bevorzugter Weiterbildung rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei es bevorzugt ist, dass die Symmetrieachse des Drosselkörpers in axialer Richtung, dass heißt in Hauptströmungsrichtung des einströmenden Gases, verläuft. Es ist desweiteren bevorzugt, dass der rotationssymmetrische oder gegebenenfalls unsymmetrische Drosselkörper in axialer Richtung verschiebbar ist.
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Der Drosselköper ist im Wesentlichen tellerförmig ausgebildet ist. Hierbei ist es bevorzugt, dass eine Vertiefung des tellerförmigen Drosselkörpers in Richtung des Gaseinlasses weist.
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Unabhängig von der Ausgestaltung des Drosselkörpers ist es bevorzugt, dass die Hauptströmungsrichtung im Gaseinlass axial bzw. parallel zur Bewegungsrichtung der Drosseleinrichtung verläuft. Hierbei ist es bevorzugt, dass der Auslass gleichmäßig über den Umfang des Gehäuses und der Drosselöffnung in radialer Richtung zur Drosseleinrichtung erfolgt. Auf Grund der bevorzugten gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten Auslassöffnungen heben sich die radialen Kräfte an der Drosseleinrichtung gegenseitig auf. Hierdurch werden Querkräfte am Drosselkörper und die damit verbundenen Reibungskräfte an einer Gehäuseinnenseite oder einer Führungsschiene vermieden.
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Da in einer bevorzugten Ausführungsform an der Außenseite des Führungselements bzw. der Membran Atmosphärendruck herrscht, ist es besonders bevorzugt, dass das Gehäuse eine Zusatzöffnung aufweist, an der Atmosphärendruck anliegt, bzw. die mit einem Bereich verbunden ist, in dem Atmosphärendruck herrscht. Insbesondere kann die Zusatzöffnung mit der Umgebung verbunden sein.
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Ebenso ist es möglich dem Ölascheider nachgelagert einen zusätzlichen Unterdruck zu erzeugen. Dies kann dadurch erfolgen, dass der Auslass mit einem Unterdruckerzeuger verbunden ist bzw. von einem Unterdruckerzeuger in diesem Bereich Unterdruck erzeugt wird. Als geeigneter Unterdruckerzeuger kann beispielsweise eine Saugstrahlpumpe vorgesehen sein. Hierdurch ist es möglich die Leistungsaufnahme der Ölabscheideeinrichtung über die motorbauartbedingte vorhandene Leistung hinaus zu Gunsten einer vollständigen bzw. verbesserten Ölabscheidung zu steigern.
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Zur Abscheidung des durch die Drosselöffnungen gelangenden Öls kann der Drosselöffnung in Strömungsrichtung nachgeordnet ein Ölabscheider nach dem Trägheitsprinzip und/oder nach dem Diffusionsprinzip angeordnet sein. Bevorzugt ist das Vorsehen eines Filterelements als Diffusionsabscheider. Das Filterelement kann hierbei in bevorzugter Ausführungsform ring- bzw. bandförmig ausgebildet sein und das in diesem Bereich vorzugsweise zylindrisch ausgebildete Gehäuse vollständig umgeben.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in dem Gehäuse mindestens eine Notentlüftungsöffnung vorgesehen. Diese ist im Normalbetrieb von dem axial verschiebbarem Drosselkörperabgedeckt. Um ein Steigen des Drucks im Kurbelgehäuse über einen zulässigen Maximaldruck zu vermeiden sind entsprechend vorzugsweise mehrere Notentlüftungsöffnungen vorgesehen. Diese werden durch ein entsprechendes Bewegen des Führungselements von dem axial verschiebbarem Drosselkörper freigegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Ölabscheideeinrichtung handelt es sich somit in besonders bevorzugter Ausführungsform um einen passiv-angetriebenen, geregelten Ölabscheider. Mit diesem kann die zur Verfügung stehende Leistung im Kurbelgehäuse zu einem hohen Anteil von bis zu 100% genutzt werden. Dies ist in bevorzugter Ausführungsform über das gesamte Motorkennfeld möglich, so dass hierdurch eine Steigerung des Ölabscheidungsgrades ermöglicht ist, da sich der geregelte Ölabscheider an die schwankenden Motorbetriebsbedingungen optimal anpasst.
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Ein zusätzliches Unterdruckbegrenzungsventil ist daher nicht mehr erforderlich. Die Konstruktion ist daher deutlich einfacher.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Ölabscheideeinrichtung mit Rollmembran, bei ausgeschaltetem Motor oder geringer Drehzahl und geringer Motorlast, die nicht der vorliegenden Erfindung enspricht,
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2 eine schematische Draufsicht der Ölabscheideeinrichtung in 1 in Richtung des Pfeils II,
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3 eine der in 1 dargestellten Schnittansicht entsprechende Schnittansicht der Ölabscheideeinrichtung im Normalbetrieb,
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4 eine der 1 entsprechenden Schnittansicht im Notentlüftungsbetrieb,
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5 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Ölabscheideeinrichtung mit axial verschiebbarem Drosselkörper und
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6 eine schematische Schnittansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Ölabscheideeinrichtung mit axial verschiebbarem Drosselkörper.
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Fig. 1:
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Die dargestellte Ölabscheideeinrichtung weist ein Gehäuse 1 und einen Gehäusedeckel 2 auf. In dem Gehäuse 1 ist ein im dargestellten Beispiel ringförmig ausgebildeter Gaseinlass 26 vorgesehen. Wie durch den Pfeil 28 schematisch dargestellt ist der Gaseinlass 26 mit einem Kurbelgehäuse verbindbar. Durch den Gaseinlass 26 strömt ein Gas-Ölgemisch in das Gehäuse 1 ein, wobei das Gas im Wesentlichen in Richtung einer Hauptströmungsrichtung 12 einströmt. Ferner weist das Gehäuse im Bereich 30 einen Auslass auf. Durch diesen strömt das gereinigte Gas aus dem Gehäuse aus und gelangt sodann wie durch Pfeile 32 und 34 dargestellt, in den Ansaugbereich bzw. das Saugrohr des Motors. Innerhalb des Gehäuses 1 ist eine Drosseleinrichtung 36 sowie ein Ölabscheider 38 angeordnet.
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Die Drosseleinrichtung 36 umfasst als Drosselöffnung mehrere in einer Wand des Gehäuses 1 angeordnete Schlitze 15. Die Schlitze 15 sind hierbei vorzugsweise am gesamten Umfang der in diesem Bereich insbesondere zylindrisch ausgebildeten Gehäusewand ausgebildet. Im dargestellten Beispiel ist als Ölabscheider 38 ein Trägheitsabscheider 41 vorgesehen. Durch diesen wird der Gasstrom, dass heißt das Öl-Luftgemisch, stark umgelegt, sodass sich das Öl an einer Innenseite des Trägheitsölabscheiders 41 absetzt. Bei dem Filterelement handelt es sich insbesondere um einen Diffusionsölabscheider.
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Insbesondere kann der Trägheitsölabscheider eine Prallwand aufweisen. Die Prallwand weist hierbei vorzugsweise eine die Ölabscheidung unterstützende Oberfläche auf. Diese kann durch die Oberflächengestaltung oder durch Vorsehen eines Fleece oder Textils realisiert werden.
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Zusätzlich zu der durch die Schlitze 15 ausgebildeten Drosselöffnung weist die Drosseleinrichtung 36 ein in dem dargestellten Beispiel insbesondere topfförmiges Führungselement 5 auf. Das Führungselement 5 ist insbesondere rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei eine Symmetrieachse 40 im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung 12 verläuft.
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Mit dem Führungselement 5 ist eine Rollmembran 3 verbunden. Die Rollmembran 3 ist im dargestellten Beispiel entsprechend dem Führungselement 5 rotationssymmetrisch zu einer Mittellinie 40 ausgebildet. Ein innerer Rand 42 der Rollmembran 3 ist mit dem Führungselement insbesondere mittels eines Halteelements 6 fixiert. Ein äußerer Rand 44 ist am Gehäuse 1 fixiert.
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Die Rollmembran 3 liegt teilweise an einer Außenseite 46 des insbesondere tropfförmigen Führungselements 5 und teilweise an einer Innenseite 48 des Gehäuses 1 an.
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Der Gehäusedeckel 2 weist im dargestellten Beispiel einen Stutzen 50 auf. Dieser ist wie in 1 schematisch dargestellt, mit einem Bauteil 52 verbunden, das eine Öffnung 54 aufweist. Die Öffnung 54 ist mit der Umgebung verbunden und kann durch einen gasdurchlässigen Verschluss 22 verschlossen sein. Innerhalb des Stutzens 50 und somit auch innerhalb des Deckels 2 herrscht somit stets Atmosphärendruck.
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Des Weiteren ist am Gehäusedeckel 2 ein nach innen ins Gehäuse ragender ein Lagerelement ausbildender Ansatz 10 vorgesehen. Dieser dient zu Führung und Lagerung des Führungselements 5. Hierzu weist das Führungselement 5 eine Öffnung 56 auf, in die der zylindrische Ansatz 10 ragt. Des Weiteren ist im Inneren des Führungselements 5 ein im dargestellten Beispiel als Schraubenfeder ausgebildetes Federelement 8 angeordnet, dass sich einerseits an einer Innenseite des Gehäuses 1 und andererseits an dem Führungselement 5 abstützt.
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In Abhängigkeit des in dem Kurbelgehäuse und somit auch in einem Bereich 58 herrschenden Drucks, sowie in Abhängigkeit der Federkraft 8 bewegt sich das Führungselement 5 aufgrund der herrschenden Kräfte und der Druckdifferenzen in 1 nach links oder rechts in Längsrichtung 40. Dies bewirkt ein Auf- oder Abrollen der Rollmembran 3, so dass die Schlitze 15 von der Rollmembran 3 unterschiedlich weit überdeckt bzw. geöffnet sind.
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Der geregelte Ölabscheider im dargestellten Beispiel besteht aus einer modularen Funktionsbaugruppe, die die Strömungsgeschwindigkeit des Entlüftungsgasvolumenstroms unter nahezu vollständiger Nutzung der im Kurbelgehäuseentlüftungssystem zur Verfügung stehenden Leistung über geregelte Düsenspalte 15 bzw. Schlitze maximal beschleunigt und aus einem sich anschließendem Funktionselement in Form eines Trägheitsabscheiders 41, auf welches der Düsenstrahl zur Ölnebelabscheidung auftrifft.
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Die abgebildete Schnittdarstellung (1) zeigt die Ausgangsstellung des Reglers, der vorzugsweise aus einer Rollmembran 3 und einem vorzugsweise als Stütztasse 5, ausgebildeten Führungselement, das zur Führung und Stabilisierung der Rollmembran 3 dient, gebildet ist. Die Ausgangsstellung des Reglers mit vollständig geöffneten Düsenspalten 15 und geschlossenen Notentlüftungsbohrungen liegt vor allem im ausgeschalteten Zustand des Motors vor. In diesem differenzdrucklosen Zustand wird der Regler zwischen zwei Druckfedern 8, 20 in der Nähe der Innenfläche des Ölabscheider-Deckels im Kräftegleichgewicht gehalten.
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Zur Nutzung der zur Verfügung stehenden Leistung des Kurbelgehäuseentlüftungssystems während des Motorbetriebs zur Ölabscheidung ist die Rohgas-/Reingas-Trennwand 13 gasdicht in einem Strömungskanal 21 befestigt und der Stutzen 50 des Ölabscheider-Deckels in einer Bohrung des Strömungskanals, die mit Atmosphärendruck beaufschlagt ist, über eine Elastomer-Dichtung gasdicht abgedichtet. Vorzugsweise ist der Stutzen mit einer gasdurchlässigen Abschirmung 22 gegenüber Verunreinigungen aus der Umgebung geschützt.
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Beschreibung des Regelkreises
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Bei ungeregelten Ölabscheidern schwankt der Kurbelgehäuseunterdruck einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit des Motorbetriebszustands und ergibt sich aus der Differenz des Saugrohrunterdrucks und des vom Entlüftungsvolumenstrom abhängigen Ölabscheiderdruckverlusts (Saugrohrunterdruck – Ölabscheiderdruckverlust = Kurbelgehäusedruck). Um den Kurbelgehäusedruck auf einem konstanten minimalen Unterdruckniveau zur Nutzung der maximal zur Verfügung stehenden Kurbelgehäuseentlüftungsleistung zu halten, ist eine geregelte Anpassung des Druckverlusts erforderlich.
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Als Regelgröße für den Regler, bestehend aus der Rollmembran 3 und der Stütztasse 5, dient die Druckdifferenz aus Atmosphärendruck und Kurbelgehäusedruck. Als Sollwert für die Regelgröße ist ein konstanter geringer Kurbelgehäuseunterdruck (Kurbelgehäusedruck [absolut] – Atmosphärendruck [absolut] < 0) unabhängig von den Motorbetriebszuständen angestrebt.
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Sobald sich ausgehend von einem Gleichgewichtszustand die Druckdifferenz aus Atmosphärendruck und Kurbelgehäusedruck als Regelgröße während des Motorbetriebs geringfügig ändert, kommt es entsprechend zu einer geringfügigen Abweichung vom Sollwert und die Rollmembran 3, insbesondere deren Walkbereich, vollzieht eine Relativbewegung in Richtung des Druckgefälles quer zur Strömungsrichtung in den Düsenspalten 15. Diese Relativbewegung des Walkbereichs der Rollmembran 3 wird verwendet, um die Strömungsquerschnitte der Düsenspalte 15 und damit indirekt den Druckverlust des Ölabscheiders als Stellgröße mechanisch so anzupassen, dass der konstante geringe Kurbelgehäuseunterdruck als Sollwert der Regelgröße wieder erfüllt ist (Rückkopplung). Für die Regelfunktion ist es von besonderer Bedeutung, dass die Strömungsquerschnitte der Düsenpalte 15 durch den Walkbereich der Rollmembran 3 quer zur Strömungsrichtung in den Düsenspalten 15 verändert werden, damit eine Beeinträchtigung der Regelfunktion durch den Staudruck an den Düsenpalt-Einlässen bzw. der Druckdifferenz aus Saugrohdruck und Kurbelgehäusedruck ausgeschlossen oder zumindest verringert werden kann. Mit der Druckdifferenz aus Atmosphärendruck und Kurbelgehäusedruck als Regelgröße, der Relativbewegung des Reglers und des sich ändernden Druckverlusts infolge der Strömungsquerschnittsänderung an den Düsenspalten 15 als Stellgröße und der Rückkopplung der Stellgröße auf die Regelgröße solange bis sich der geringe Kurbelgehäuseunterdruck als Sollwert wieder eingestellt hat, ergibt sich ein geschlossener Regelkreis. Da es sich hierbei um einen selbstregelnden Vorgang handelt, erfolgen die einzelnen Schritte des Regelkreises aufeinander fortlaufend und ohne zeitliche Verzögerung, so dass der anzustrebende geringe Kurbelgehäuseunterdruck als Sollwert der Regelgröße stets eingehalten wird.
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Über die Federkonstante der kurbelgehäusedruckseitigen Druckfeder 8 lässt sich der geringe Kurbelgehäuseunterdruck, der als Sollwert eingeregelt werden soll, von der Größe festlegen. Ohne die kurbelgehäusedruckseitige Druckfeder 8 würde sich ein Kurbelgehäusedruck in der Größenordnung des Atmosphärendrucks einstellen. Mit steigender Federkonstante der kurbelgehäusedruckseitigen Druckfeder 8 nimmt die erforderliche Kraft, zum Verschieben des Reglers in Richtung kleinerer Düsenspalte 15 zu, d. h. erst bei höheren Kurbelgehäuseunterdrücken verengt der Regler die Düsenspalte auf den gleichen Strömungsquerschnitt. Aufgrund der durchschnittlich größeren Strömungsquerschnitte der Düsenspalte bei einer kurbelgehäuseseitigen Druckfeder mit größerer Federkonstante wird der durchschnittliche Druckverlust entsprechend geringer und der Kurbelgehäuseunterdruck größer sein. Der Druckverlust der an den Düsenspalten entsteht, steht in direktem Zusammenhang mit den Strömungsgeschwindigkeiten in und nach den Düsenspalten. Je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist, mit der der sich an die Düsenspalte 15 anschließende Trägheitsölabscheider 41 angeströmt wird, umso höher ist das Potential für einen hohen Ölabscheidegrad. Daher ist für die kurbelgehäuseseitige Druckfeder vorzugsweise eine möglichst geringe Federkonstante zu wählen, um hohe Strömungsgeschwindigkeiten in den Düsenspalten für eine maximale Ölabscheidung zu erzielen.
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Bei Motorbetriebszuständen mit geringer Drehzahl, die zu einem entsprechend geringem Saugrohrunterdruck führt und einer geringen Last, die zu einem geringen Entlüftungsgasvolumenstrom führt, wird der Regler einen großen oder auch den maximalen Strömungsquerschnitt der Düsenspalte, vergleichbar mit dem differenzdrucklosen Ausgangszustand, freigeben, der in Kombination mit gleichzeitig geringen Entlüftungsgasvolumenströmen zu geringeren Strömungsgeschwindigkeiten und geringeren Druckverlusten in den Düsenspalten führt.
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Wird die Drehzahl bei gleichbleibend geringer Last auf eine hohe Drehzahl erhöht, erhöht sich der Saugrohrunterdruck bei nahezu gleichbleibendem Entlüftungsgasvolumenstrom. Aufgrund des hohen Saugrohrunterdrucks und des zunächst noch geringen Druckverlusts in den Düsenspalten ergibt sich ein Anstieg des Kurbelgehäuseunterdrucks, das heißt eine größere Druckdifferenz zur atmosphärendruckbeaufschlagten Seite des Reglers, der sich infolge dessen in Richtung des Druckgefälles bewegt und die Strömungsquerschnitte der Düsenspalte soweit verschließt (3) bis der dabei ansteigende Druckverlust den Kurbelgehäuseunterdruck auf den Sollwert reduziert.
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Wird ausgehend vom vorangehenden Motorbetriebszustand mit hoher Drehzahl und geringer Last, die Last auf hohe Last erhöht, erhöht sich der Entlüftungsgasvolumenstrom, der an den zunächst noch geringeren Strömungsquerschnitten der Düsenspalte einen höheren Druckverlust erzeugt und damit den Kurbelgehäuseunterdruck reduziert. Sobald der Kurbelgehäuseunterdruck auf einen Wert unter den geringen Kurbelgehäusedruck des Sollwerts fällt, wird der Regler durch die kurbelgehäuseseitige Druckfeder 8 auch gegen eine noch geringe verbliebene Kraft des Reglers, soweit in Richtung größerer Düsenspaltquerschnitte verschoben, dass der resultierende geringere Druckverlust den Kurbelgehäuseunterdruck auf den Sollwert ansteigen lässt.
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Notentlüftungssystem des geregelten Ölabscheiders (Fig. 4)
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Durch einen Defekt des Motors beispielsweise an den Kolbenringen oder Ventilschaftdichtungen kann sich der Entlüftungsgasvolumenstrom um ein Vielfaches erhöhen. Durch den deutlich höheren Entlüftungsgasvolumenstrom kann sich der Öleintrag in den Ölabscheider nicht nur in Form von Ölnebel sondern auch in Form von groben mitgerissenen Öltropfen aus dem Kurbelgehäuse erhöhen. Zugleich steigt bei Verwendung eines ungeregelten Ölabscheiders, dessen Druckverlust mit steigendem Entlüftungsgasvolumenstrom kontinuierlich erhöht, der Kurbelgehäusedruck je nach Auslegung des Ölabscheiders deutlich bis in den kritischen Überdruckbereich an. Ein höherer Kurbelgehäuseüberdruck kann Dichtungen oder überdruckempfindliche Bauteile zum Versagen bringen und eine Ölleckage zur Folge haben. Auch ohne äußere Ölleckage kann durch einen Motordefekt, der einen deutlichen Anstieg des Entlüftungsgasvolumenstroms zur Folge hat, sich der Ölverbrauch deutlich erhöhen. Durch den höheren Öleintrag in den Ölabscheider fallen auch höhere Mengen abgeschiedenes Öl im Ölabscheider an, die ins Kurbelgehäuse zurückgeführt werden müssen. Aufgrund des hohen Druckverlusts bei ungeregelten Ölabscheidern infolge von hohen Entlüftungsgasvolumenströmen ist der Kurbelgehäusedruck deutlich höher als im Ölspeicher des Ölabscheiders, wodurch die Rückführung des Öls ins Kurbelgehäuse verlangsamt oder gar unterbrochen werden kann. Die unterbrochene Ölrückführung in Kombination mit dem erhöhten Öleintrag in den Ölabscheider kann zu einem Überlauf des Ölabscheiderzwischenspeichers führen. Bei einem Überlauf des Zwischenspeichers wird das abgeschiedene Öl in den Ansaugbereich gelangen und weitere Folgeschäden im Motor und der Abgasanlage verursachen.
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Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass bereits bei geringen unkritischen Kurbelgehäuseüberdrücken infolge des erhöhten Entlüftungsgasvolumenstroms mit Hilfe der Regelfunktion des Ölabscheiders zusätzlich mehrere große Notentlüftungsbohrungen 23 mit geringem Strömungswiderstand geöffnet werden, durch die Entlüftungsgase strömen können. Durch dieses geregelte Notentlüftungsystem werden schädliche Kurbelgehäuseüberdrücke vermieden und gleichzeitig können die erhöhten Öleintragsmengen aufgrund des geringeren Druckverlusts, d. h geringerer Druckdifferenz zum Kurbelgehäuse schneller ins Kurbelgehäuse abgeführt werden.
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Tritt ausgehend vom Normalbetrieb des Motors ein Defekt am Motor auf, der zu deutlich überhöhten Entlüftungsgasvolumenströmen führt, erhöht sich der kurbelgehäuseseitige Druck an Regler, der in Richtung größerer Düsenspalte 15 verschoben wird, um dem ansteigenden Kurbelgehäusedruck entgegen zu wirken. Bei um ein vielfaches überhöhten Entlüftungsgasvolumenströmen, kann eine vollständige Freigabe der Düsenspaltquerschnitte zur Vermeidung von kritischen Kurbelgehäuseüberdrücken nicht ausreichend sein. In diesem Fall wird der Regler mit dem Walkbereich der Rollmembran noch weiter in Richtung der Notentlüftungsbohrungen 23 verschoben bis diese für die Entlüftungsgase freigegeben werden. Zum Öffnen der Notentlüftungsbohrungen muss der Regler gegen eine Atmosphärendruckseitige Druckfeder 20 verschoben werden. Diese Druckfeder 20 ist von der Federkonstante so abzustimmen, dass einerseits der erforderliche Kurbelgehäuseüberdruck zum Öffnen der Notentlüftungsbohrungen unkritisch bleibt und andererseits im differenzdrucklosen Ausgangszustand und im Normalbetrieb die Notentlüftungsbohrungen 23 verschlossen sind.
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Dies hat den Vorteil des Entfalls eines zusätzlichen mechanisch vom Regler angetriebenen Drosselelements zur Verstellung des Strömungsquerschnitts durch Integration der Drosselfunktion in den Regler selbst. Durch das Abrollen eines elastischen Elements (vorzugsweise Rollmembran) über dem Strömungsquerschnitt werden hohe Haft- und Gleitreibungen insbesondere bei höheren Druckverlusten, die die Regelungsfunktion einschränken würden, vermieden.
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Der geregelte Ölabscheider ist vorzugsweise als kompakte modulare Funktionsbaugruppe ausgeführt und kann über die Rohgas-/Reingas-Trennwand 13 in einem Strömungskanals befestigt werden.
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In den 5 und 6 sind zwei bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Ölabscheideeinrichtung dargestellt, die anstelle einer Rollmembran einen insbesondere tellerförmig ausgebildeten Drosselkörper 60 aufweisen. In den in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispielen sind ähnliche und identische Bauteile mit den identischen Bezugszeichen wie bei dem anhand der 1–4 beschriebenen Beispiel bezeichnet.
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Fig. 5:
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Entsprechend dieser Ausführungsform tritt ein Gas-Ölgemisch durch den Einlass 26 in das Gehäuse 1 ein. Das Gas-Ölgemisch tritt hierbei wiederum in Richtung der Hauptströmungsrichtung 12 in das Gehäuse ein. Wie durch die Pfeile dargestellt, strömt das Gas-Ölgemisch seitlich an dem tellerförmigen zur Mittelline 40 rotationssymmetrisch ausgebildeten Drosselkörper vorbei und tritt sodann aus dem Gehäuse 1 durch einen umlaufenden Spalt 15 zwischen dem Drosselkörper 60 und einer Gegenfläche 65 am Gehäuse 1 aus. In Strömungsrichtung schließt sich an den umlaufenden Spalt 15 eine Prallwand 66 als Trägheitsabscheider an, der vorzugsweise eine für die Ölabscheidung wirksame funktionale Oberfläche 67, vorzugsweise in Form eines Fließ oder Textils, aufweist, wobei es sich beim Ölabscheider auch um einen nicht dargestellten Ölabscheider handeln kann, der hauptsächlich auf dem Diffusionsabscheideprinzip basiert.
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Das Funktionsprinzip der in den 5 und 6 dargestellten Ölabscheider entspricht grundsätzlich dem Funktionsprinzip des in 1–4 dargestellten Ölabscheiders, wobei der Einlass 26 wiederum mit dem Kurbelgehäuse und der Auslass 30 mit einem Ansaugbereich eines Motors verbunden ist. Das abgeschiedene Öl wird in das Kurbelgehäuse zurück gefördert.
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Der tellerförmige Drosselkörper 60 ist auf einem Lagerelement 10 geführt, das in diesem Ausführungsbeispiel am Gehäuse 1 angeordnet ist, jedoch entsprechend der in 1 ausgestalteten Ausführungsform auch am Deckel 2 angeordnet sein kann. Der Regler wird bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem elastischen Element 62 und einem Drosselkörper 60 gebildet. Die Regelfunktion entspricht der zu 1 beschriebenen. Im Unterschied zu 1 ist im Ausführungsbeispiel 5 durch die konstruktive Trennung des Drosselkörpers 60 vom elastischen Element 62 eine unabhängige Dimensionierung des wirksamen Querschnitts des Atmosphärendruck beaufschlagten elastischen Elements und des Kurbelgehäusdruck beaufschlagten Drosselelements möglich. Hieraus ergibt sich ein konstruktiver Freiheitsgrad zur Feinabstimmung des einzuregelnden Kurbelgehäusedrucks, wodurch eine in 1 dargestellte optionale Schraubenfeder 8 entfallen kann.
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Entsprechend der Verschiebung des Führungselements 5 in der Ausführungsform gemäß 1–4 erfolgt bei sich verändernden Druckdifferenzen ein Verschieben des Drosselkörpers 60 und somit bezogen auf 5 ein Freigeben/Verschließen des umlaufenden Spalts 15 zwischen dem Drosselkörper 60 und einer Gegenfläche 65 am Gehäuse 1.
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Fig. 6:
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Das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel in Wesentlichen dadurch, dass der Drosselkörper 60 als elastisches Element gleichzeitig die Dichtfunktion zwischen dem Innenbereich des Gehäuses 1, der mit dem Kurbelgehäuse verbunden ist, und dem Bereich der über den Stutzen 50 mit Atmosphärendruck verbunden ist, darstellt. Entsprechend weist der Drosselkörper 60 zusätzlich eine Dichtfunktion auf, die in dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel durch das Element 62 realisiert ist. Zur Veränderung des Durchströmungsquerschnitts weist im dargestellten Ausführungsbeispiel der Drosselkörper 60 einen ringförmigen Ansatz 64 auf. Dieser bewegt sich bei sinkendem Druck im Kugelgehäuse aus der in 6 dargestellten Stellung nach links, sodass sich die Breite des Spalts 15 verringert. In Strömungsrichtung an den Spalt ist eine Prallwand 66 als Trägheitsabscheider angeordnet, die vorzugsweise eine für die Ölabscheidung wirksame funktionale Oberfläche 67 in Form eines Fließ oder Textils aufweist, wobei es sich beim Ölabscheider auch um einen nicht dargestellten Ölabscheider handeln kann, der hauptsächlich auf dem Diffusionsabscheideprinzip basiert. Die Ölabscheidung erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel wiederum durch ein starkes Umlenken des Gas-Ölgemisches, wie durch die Pfeile dargestellt.
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Bei sich ändernden Druckverhältnissen erfolgt ein Bewegen des Drosselkörpers wiederum in Hauptströmungsrichtung 12. Durch die Funktionsintegration des Drosselkörpers und des elastischen Elements in ein flaches Bauteil, weißt das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel einen besonders geringen Bauraumbedarf auf.
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Die erfindungsgemäße Ölabscheideeinrichtung weist gegenüber ungeregelten Ölabscheidern insbesondere nachfolgende Vorteile auf:
- – höheres Potential für höhere Ölabscheidungsgrade durch die Nutzbarmachung der gesamten zu Verfügung stehenden Leistung im Kurbelgehäuseentlüftungssystem.
- – Entfall des Druckregelventils als Folge/Nebeneffekt
- – Vereinfachung des Ölabscheider- bzw. Zylinderkopfhauben-Designs durch Entfall des außen angebrachten Druckregelventils
- – geringer Montageaufwand wegen Entfall des Druckregelventils
- – Modularer Aufbau (Funktion des Moduls vor dem Verbau im ZSB prüfbar)
- – Kosteneinsparpotential als Folge der vorangehenden vier Punkte
- – kein Leckagerisiko durch außen angebrachtes Druckregelventil mehr
- – keine Variantenbildung des Abscheiders erforderlich (maximal zulässiger Druckverlust stellt sich automatisch abhängig vom Motor und den Betriebsbedingungen ein)
- – passt sich zeitlich variierenden Randbedingungen automatisch an (beispielsweise höherer Blow-By-Volumenstrom durch Motorverschleiß, Luftfilter voll => höhere Saugrohrunterdrücke)
- – bessere Ölreißsicherheit (geregelter Ölabscheider erhöht den Druckverlust bei zusätzlichem Fremd-Blow-By nicht! => bessere Abförderung des abgeschiedenen Öls)
- – Vermeidung von Überdrücken in kritischen Kennfeldbereichen (geringe Drehzahl, hohe Last) trotz maximaler Nutzung der Leistung in allen Kennfeldbereichen
- – keine Elektronik erforderlich, da selbstregelnd
- – kein höherer Kraftstoffverbrauch (verglichen mit aktiv angetriebenen Ölabscheidern)
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Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Ölabscheideeinrichtung gegenüber bekannten geregelten Ölabscheidern insbesondere folgende Vorteile aufweisen:
- – geringere Toleranzanforderungen
- – weniger mechanisch bewegliche Bauteile
- – keine Haft- oder Gleitreibungskräfte beim Verstellen des Reglers bzw. der Strömungsquerschnitte.
