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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Kurbelgehäuse, einer Kolbengruppe und einer Kurbelwelle, wobei das Kurbelgehäuse ein Ölreservoir aufweist und eine Betriebsmenge Schmieröl vorgelegt ist. Ebenso betrifft die Erfindung einen stationären Verbrennungsmotor, umfassend ein Kurbelgehäuse mit einer Kolbengruppe, einer Kurbelwelle und einer Ölwanne.
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STAND DER TECHNIK
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Bei Verbrennungsmotoren mit hohen Standzeiten sind die Betriebskosten ein wesentlicher Einflussparameter für die Wirtschaftlichkeit der Anlage. Speziell bei stationär betriebenen Hubkolben-Verbrennungskraftmaschinen wiederum sind davon die Kosten für das Schmieröl ein erheblicher Anteil.
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Für die Schmierung solcher Verbrennungsmotoren gibt es ein Ölreservoir, welches sich zum Beispiel in der Ölwanne im unteren Teil des Kolbengehäuses befindet. In diesem Fall spricht man z.B. von Nasssumpfschmierung. Das Schmieröl bewegt sich im Motor in einem Kreislauf: Ausgehend vom Ölreservoir in der Ölwanne wird das Öl von der Ölpumpe angesaugt und in den Ölfilter gepumpt; von dort gelangt es zum Ölkühler. Anschließend verzweigt sich die Ölleitung. Ein Teil des Öls wird zu den verschiedenen Lager-Schmierstellen geleitet, ein anderer Teil wird an die Unterseite der Kolben gespritzt, wodurch einerseits die Kolbenkühlung und andererseits die Öl-Benetzung der Zylinderlaufbüchsen erfolgt.
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Im Betrieb des Verbrennungsmotors gelangen Leckgase, sogenante Blow-by-Gase, über die Ringabdichtung der Kolbenringe in das Kurbelgehäuse, die mit kleinen Ölpartikeln durchsetzt sind. Zusammen mit dem Spritzöl bildet sich um die Kurbelwelle herum ein mit Öltropfen beladenes Gasgemisch aus. Um einen durch die Blow-by-Gase verursachten Druckanstieg im Kurbelgehäuse zu vermeiden, ist eine Entlüftung notendig. Es ist bekannt, dass dabei Öl mit ausgetragen wird.
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Bei stationären Verbrennungsmotoren wird fallweise eine offene Kurbelgehäuseentlüftung eingesetzt, wobei die Blow-By Gase aus dem Kurbelgehäuse in die Umgebung abgeleitet werden. Aus Gründen des Umweltschutzes muss ein Ölabscheider nach der Auslassöffnung für das Blow-By Gas geschaltet sein, was ein Sauggebläse notwendig macht. Alternativ sind geschlossene Systeme zur Kurbelgehäuseentlüftung bekannt und vor allem bei Kraftwagen im Einsatz. Bei diesen Systemen werden die Blow-By Gase rückgeführt, d.h. wieder in den Ansaugtrakt des Motors geleitet. Ein Lufteinlass im Kurbelgehäuse (z.B. bekannt aus
DE 540910 ) unterstützt den Austrieb des Blow-By Gas und ermöglicht einen Kreislauf mit Rückführung der Gase in den Verbrennungsraum. Hier ist insbesondere zur Vermeidung einer duch Ölpartikel veursachten Verschmutzung des Ansaugsystems die Ölabscheidung aus dem Blow-by-Gas erforderlich. Daher wird bei geschlossenen Systemen vor der Rückführung des Gasanteils ein Ölabscheider geschaltet, von dem Ölabscheider wird das abgetrennte Schmieröl wieder in das Ölreservoir geleitet. Für eine geschlossene Kurbelgehäuseentlüftung ergibt sich daher ein geringerer Ölverbrauch gegenüber offenen Systemen.
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Grundsätzlich gilt, dass sich im Laufe des Motorbetriebs die Qualität des Schmieröles verschlechtert. Ölwechsel müssen daher regelmäßig vorgenommen werden, beispielsweise zu fixen Zeitpunkten oder je nach Ölzustand, der durch periodische Ölanalysen festgestellt wird. Zur Beurteilung bzw. zur Quantifizierung der Schmieröleigenschaften wurden international bestimmte Kriterien und Parameter definiert, für die spezielle Messverfahren und seitens der Motorhersteller meist unterschiedliche Grenzwerte festgelegt sind. Die wichtigsten Qualitätskriterien oder Schmierölparameter sind die Viskosität, die Gesamtbasenzahl (TBN, total base number), die Gesamtsäurezahl (TAN, total acid number), die Oxidation und die Nitration. Wenn bei einem der Schmierölparameter der jeweils dafür festgelegte Grenzwert erreicht bzw. überschritten wird, muss das Schmieröl im Rahmen des Ölwechsels durch frisches Öl ersetzt werden.
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Generell gilt bei Verbrennungsmotoren mit Umlaufschmierung, dass neben den Kosten für das Schmieröl selbst auch assoziierte Kosten hinzukommen. Die Kosten für den Schmierölhaushalt setzen sich daher zusammen aus dem Ölverbrauch (der ständig zu ergänzen ist), der bei den Ölwechseln anfallenden Frischölmenge, der Stillstandzeit des Motors zur Durchführung des Ölwechsels, der dafür notwendigen Arbeitszeit, der Öllogistik inklusive der Entsorgung des Altöles sowie den periodisch durchzuführenden Ölanalysen.
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Je nach Anwendung und Randbedingungen können die Kosten für das Schmieröl ca. 15 %–20 % der gesamten Kosten für Wartung und Instandhaltung (inklusive Grundüberholung) betragen. Der Ölverbrauch des Motors bestimmt auch die Ölauffrischungsrate durch die automatische Schmierölnachfüllung, damit führt ein erhöhter Ölverbrauch in der Regel auch zu einer höheren Ölstandzeit. Bei modernen Hochleistungsmotoren beträgt der spezifische Schmierölverbrauch etwa 0,15 g/kWh, und die Motoröle erreichen Standzeiten zwischen 1000 und 3000 Betriebsstunden. Die Kosten aus dem Schmierölverbrauch und aus dem Ölwechsel sind etwa in der gleichen Größenordnung.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und einen solchen Verbrennungsmotor bereitzustellen, bei dem der Schmierölverbrauch reduziert ist und / oder Ölwechsel wegfallen kann bzw. das Intervall für Ölwechsel erhöht wird.
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Die Aufgabe wird in der hier beschriebenen Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem Kurbelgehäuse, einer Kolbengruppe, und einer Kurbelwelle, wobei das Kurbelgehäuse ein Ölreservoir aufweist und eine Betriebsmenge Schmieröl vorgelegt ist, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass i) kontinuierlich eine Teilmenge Schmieröl aus dem Kurbelgehäuse abgeführt wird, und ii) kontinuierlich eine Nachfüllmenge neues Schmieröl zugeführt wird, so dass die Betriebsmenge Schmieröl im Wesentlichen gleich bleibt.
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Durch kontinuierliches Ersetzen einer ausreichenden Teilmenge an Schmieröl ist kein mit Standzeit verbundener Ölwechsel notwendig. Die abgeführte Teilmenge wird dabei durch frisches Öl ersetzt, so dass die Qualität der Betriebsmenge, die zur Schmierung des Motors dient, damit auf Dauer im gebrauchfähigen Zustand gehalten werden kann. Wie das Abführen einer solchen Teilmenge geregelt sein kann, wird in nachfolgenden Ausführungsvarianten dargelegt werden. Die erforderliche Nachfüllmenge aus dem Frischölbehälter zur Betriebsmenge im Verbrennungsmotor kann beispielsweise so geregelt sein, dass es vom Füllstand des Ölreservoirs z.B. der Ölwanne abhängig gemacht wird und über eine Dosierungseinrichtung gesteuert wird. Die Vorteile, die sich dabei speziell im Bereich von stationären Verbrennungsmotoren ergeben, sind durch den Wegfall der Standzeiten und Wartungsarbeiten beim Ölwechsel erheblich.
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Außerdem kann sich auch ein Einsparpotential durch einen geringeren Verbrauch an frischem Schmieröl ergeben. Prinzipiell gilt, je mehr Schmieröl im erfindungsgemäßen Verfahren abgeführt wird, desto besser ist die Qualität der Betriebsmenge Schmieröl, da die abgeführte Menge mit frischem Öl ersetzt wird. Besonders rentabel wird das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die Teilmenge abgeführten Öls eine schlechtere Qualität aufweist, als das verbleibende Schmieröl, welches im Kurbelgehäuse zirkuliert. Die hier offenbarte Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass im Kurbelgehäuse die Ölqualität ungleich verteilt ist. Bevorzugt wird also die abgeführte Teilmenge so gewählt, dass das Öl dieser Teilmenge bereits Qualitätseinbußen zeigt. Grundsätzlich sind Temperatur, chemisches Umfeld und Oberflächeneffekte maßgeblich für die Alterungsrate und bestimmen die Ölqualität.
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Der höchsten Beanspruchung und damit dem stärksten Alterungsmechanismus ist jene Ölfraktion unterworfen, die den höchsten Temperaturen sowie am intensivsten den chemisch reaktiven Blow-by Gasen ausgesetzt ist, also jene Fraktion, die für die Schmierung und Kühlung der Kolbengruppe sorgt. Dieser Teil des Schmieröls ist deutlich stärker degradiert als jenes Öl, das aus den Lagerstellen in die Ölwanne zurückströmt. Aufgrund der mit relativ hohen Geschwindigkeiten bewegten Triebwerksteile des Motors und der hohen Austrittsgeschwindigkeit des Öls aus den Kühlöldüsen zerstäubt das Öl im Kurbelgehäuse zu einem Ölnebel mit einem breiten Spektrum der Tropfen-Durchmesser. Aufgrund des Entstehungsmechanismus und der verhältnismäßig großen Oberfläche sind die Öltröpfchen dabei umso stärker degradiert, je kleiner deren Größe ist.
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In einer Ausführungsvariante wird die Teilmenge des abgeführten Schmieröls so gewählt, dass das Schmieröl der Betriebsmenge zwar insgesamt in einem gebrauchsfähigen Zustand vorliegt, mindestens ein Qualitätsparameter sich jedoch in der Nähe des zulässigen Toleranzvereichs bewegt, wobei der Qualitätsparameter ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Viskosität, TBN (total base number), TAN (total acid number), Oxidation und Nitration, und der bestimmte Toleranzbereich abhängig vom Qualitätsparameter definiert ist, und wobei die abgeführte Teilmenge in mindestens einem Qualitätsparameter eine schlechtere Qualität aufweist als das Schmieröl der Betriebsmenge.
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Die maximale Wirtschaftlichkeit wird für das erfindungsgemäße Verfahren nämlich dann erreicht, wenn bei der Betriebsmenge des Schmieröls in mindestens einem Qualitätsparameter der Toleranzbereich des Qualitätsparameters nur knapp eingehalten wird, und dieser Qualitätszustand des Öls über die Betriebszeit des Verbrennungsmotors aufrecht erhalten wird. Somit wird vermieden, dass eine nennenswerte Menge an gebrauchsfähigem Öl aus dem Motor abgeführt wird. Die Nachfüllmenge wird minimiert. Wenn die Qualität der Betriebsmenge sehr knapp über dem Limit der Gebrauchsfähigkeit (d.h. nahe der Grenzen des Toleranzbereichs eines Qualitätsparameters) liegt wird vermieden, dass noch gebrauchsfähiges Öl entfernt und unnötigerweise entsorgt wird. Dies insbesondere deshalb, weil das aus dem Verbrennungsmotor abgeleitete Öl eine schlechtere Qualität aufweist, als das Öl der Betriebsmenge des Verbrennungsmotors.
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Das Niveau, auf dem sich die Öl-Qualitätsparameter stabilisieren, hängt unter anderem von der Erneuerungsrate durch Frischölzufuhr ab. Um eine Stabilisierung in der Nähe der zulässigen Ölgrenzwerte zu erreichen, ist bei Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens über die Laufzeit des Motors ein Ölaustrag von ca. 25–35 % jener Ölmenge erforderlich, die während dieser Zeit bei den regulären Ölwechseln anfallen würde. Dadurch ergibt sich gegenüber dem Berieb mit Ölwechsel ein reduzierter Ölverbrauch, auch wenn der Verbrauch während des Betriebs erhöht sein kann.
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Zur Steuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorteilhaft sein, zumindest einen Qualitätsparameter des Schmieröls zu erfassen. Hierfür können Einzelprüfungen der Ölqualität im Ölreservoir durchgeführt werden. Es stehen auch Sensoren zur kontinuierlichen Überwachung einzelner Ölparameter zur Verfügung.
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In einer Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierlich abgeführte Teilmenge an Schmieröl über einen Luftstrom abgeführt wird. Dabei wird Frischluft über einen Einlass in das Kurbelgehäuse geführt, der Luftstrom nimmt Öltropfen im Gasraum des Kurbelgehäuses auf, sodass der Luftstrom mit der abzuführenden Teilmenge an Schmieröl beladen und anschließend mit dem Luftstrom über einen Auslass aus dem Kurbelgehäuse geführt wird.
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Man kann in diesem Zusammenhang den Luftstrom auch als Spülluft bezeichnen. Durch den Auslass nimmt der Luftstrom eine Ölfracht mit, die dann sozusagen aus dem Kurbelgehäuse oder Kurbelkasten gespült wird. Die ausgetragene Teilölmenge kann mittels eines Ölabscheiders von der Spülluft getrennt werden. Der Ölabscheider oder Filter sollte mit einem Altölbehälter verbunden sein, sodass das entfernte Öl direkt entsorgt werden kann. Mit dieser Ausführungsvariante konnte ein Verfahren für das Betreiben eines Motors bereitgestellt werden, bei dem die entfernte Teilmenge des Schmieröls sowohl quantitativ als auch qualitativ geeignet gewählt werden konnte, um sich sehr vorteilhaft auf den Ölhaushalt eines geeigneten stationären Verbrennungsmotors auszuwirken.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom im Kurbelgehäuse so geführt wird, dass er um eine Rotationsachse der Kurbelwelle in der entsprechenden Drehrichtung der Kurbelwelle gelenkt wird, wobei dafür bevorzugt der Einlass unterhalb der Höhe der Kurbelwelle an einer Seite des Kurbelgehäuses angeordnet ist und der Auslass oberhalb der Höhe der Kurbelwelle an der gleichen Seite des Kurbelgehäuses.
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Die spezielle Anordnung von Einlass und Auslass ermöglicht eine Dosierung des Luftstroms, bei der sowohl eine geeignete Menge als auch eine geeignete Öltropfenfraktion entfernt wird, um so die gewünschte Qualität der Betriebsmenge zu erreichen. Vorteilhafterweise ist der Einlass so gestaltet, dass an mehreren Stellen des Kurbelkastens seitlich kühle Frischluft eingeblasen wird. Ebenso kann der Auslass auch in mehrfacher Ausführung entlang der Seitentwand des Kurbelkastens vorliegen. Durch die Anordnung von Einlass unterhalb des Auslasses auf der gleichen Seite zirkuliert der Luftstrom um die Kurbelwelle. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Umspülung der Öltröpfchen mit kühler Luft die Oberflächenreaktionen reduziert und so die Alterungsrate des Öls (bezogen auf die Qualität der Betriebsmenge) verringert wird.
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Der Ölnebel im Kurbelgehäuse oberhalb des Ölsumpfes liegt in einem Tropfenspektrum vor, wobei sich die kleinsten von den größten Tropfen um ca. 4 Größenordnungen unterscheiden. Die Durchmesser der kleinsten Tröpfchen betragen etwa 0,1 µm, die größten erreichen einige Millimeter. Besonders die Tropfenfraktion unterhalb von ca. 10 µm stammt mehrheitlich aus thermisch und chemisch stark belasteten Regionen im Bereich der Kolbengruppe. Diese Fraktion ist demnach entsprechend stärker degradiert, als das Öl in der Ölwanne.
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Mit dem Luftstrom werden speziell die kleinen Öltröpfchen in stärkerem Ausmaß mitgetragen als die großen, sodass das Öl, das damit aus dem Motor ausgetragen wird, stärker degradiert ist, als das Öl in der Ölwanne des Motors.
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In einem Aspekt ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass in der ausgetragenen Öltropfenfraktion vorwiegend Tröpfchen vorliegen, die einen Durchmesser von unter etwa 0,2 mm, bevorzugt unter etwa 0,1 mm, bevorzugt unter etwa 0,01 mm aufweisen.
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Durch geeignete Einbauten am Auslass für den Luftstrom aus dem Kurbelgehäuse können größere Tröpfchen am Austritt gehindert werden, beispielsweise durch Zyklone oder Ablenkplatten. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass mit der Spülluft nur die stärker degradierte Ölfraktion mit der Spülluft aus dem Verbrennungsmotor abgeleitet wird. Bevorzugt Tröpfchen mit einem Durchmesser über 0,2 mm werden zurückgehalten.
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Über das Volumen des Luftstroms kann die Menge an ausgeführten Öltropfen geregelt werden. Wie bereits erwähnt bestimmt die ausgetragene Ölmenge die Qualität der Betriebsmenge. Abhängig von verschiedenen Umständen und Bedingungen sollte eine Ölrate von mindestens 0,03 und maximal 0,7 g/kWh als Teilmenge abgeführt werden. Die Spülluft muss daher in der Lage sein, eine geeignete entsprechende Ölfracht mitzutragen. Dies ist nur möglich, wenn die Spülluftmenge einen bestimmten Volumenstrom erreicht und eine entsprechende Konzeptoptimierung für die Zuführung und die Ausleitung der Spülluft erfolgt.
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Das Volumen des Luftstroms kann durch unterschiedliche Maßnahmen, wie beispielsweise Drosseleinrichtungen am Auslass und/oder Einlass reguliert werden.
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Um die erforderliche auszutragende Ölmenge sicher zu stellen, wird weiters vorgeschlagen, die Einlass- und Auslass-Öffnungen so anzuordnen, dass am Auslass in der Höhe der Kurbelwelle ein Ölüberschuss vorliegt, und dieser Überschuss durch Mischung mit einem Teil des Kurbelgehäusegases, der an einer Stelle mit wesentlich geringerem Öl-Anteil entnommen ist, auf die richtige Menge reduziert wird. Geeignete Stellen für einen weiteren Auslass, an dem ein Luftstrom mit einem geringeren Ölanteil aus dem Kurbelgehäuse entnommen wird, befinden sich beispielsweise am Oberdeck des Kurbelgehäuses. Das am oberen, strömungsberuhigten Ende des Kurbelgehäuse austretende Gas weist eine deutlich geringere Ölbeladung auf als das seitlich austretende Gas, welches über den ersten Auslass geführt wurde.
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In einer Ausführungsvariante ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der die Hauptmenge der Öltropfenfraktion austragende Luftstrom mit einem weiterem Luftstrom aus dem Kurbelgehäuse gemischt wird, wobei der weitere Luftstrom sich vom beladenen Luftstrom durch eine geringere Ölfracht unterscheidet, so dass über ein Mischungsverhältnis der beiden Luftströme die aus dem Kurbelgehäuse ausgeführte Teilmenge Schmieröl bestimmt wird.
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Im Unterschied zu manchen Auführungen einer geschlossenen Kurbelgehäuseentlüftung, bei der auch Einlass und Auslass im Kurbelgehäuse vorgesehen sind, wird im erfindungsgemäßen Verfahren eine Teilmenge des in dem Luftstrom mitgeführten Öls endgültig ausgetragen und nicht wieder dem Ölkreislauf zugeführt. Außerdem unterscheidet sich die Spülluftmenge wesentlich von der ausströmenden Luftmenge zum Entfernen von Blow-by Gasen aus dem Kurbelgehäuse. Bei stationären Verbrennungsmotoren beträgt der Blow-by-Volumenstrom in etwa die Hälfte der erfindungsgemäßen Spülmenge, beispielweise ca. 26 m3/h im Vergleich zu 50 m3/h. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber vorteilhafterweise auch die Blow-by Gase mit ausführen.
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In einer Ausführungsvariante ist das Verfahren daher weiters dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasanteil, welcher über die Kolbengruppe ins Kurbelgehäuse einströmt (Blow-By-Gas), mit dem Luftstrom abgeführt wird.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen stationären Verbrennungsmotor, umfassend ein Kurbelgehäuse mit
- i) einer Kolbengruppe,
- ii) einer Kurbelwelle und
- iii) einer Ölwanne,
dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Kurbelwelle ein Einlass für einen Luftstrom und oberhalb des Einlasses mindestens ein Auslass für den Luftstrom vorgesehen sind, wobei nach dem Auslass ein Ölabscheider vorgesehen ist, welcher mit einem Altölbehälter verbunden ist.
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Ein solcher stationärer Verbrennungsmotor weist im Wesentlichen alle technischen Merkmale auf, um mit einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben zu werden. Der Fachmann könnte das Prinzip des Verfahrens gegebenenfalls auch auf andere Anordnungen übertragen und für andere Verbrennungsmotoren umsetzen. Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor hat sich im Bereich der stationären Anwendung als geeignet erwiesen, um ein erfindungsgemäßes Verfahren anzuwenden, bei dem die Teilmenge des Schmieröls mit dem Luftstrom aus dem Kurbelgehäuse ausgetragen wird. Vom Luftstrom wird die ausgeführte Teilmenge über einen Ölabscheider oder eine equivalente geeignete Maßnahme abgetrennt und in einem Altölbehälter für die Entsorgung bereit gehalten. Bei stationär betriebenen Verbrennungskraftmaschinen kann der Kostenanteil für das Schmieröl ca. 15–20% der gesamten Kosten für Wartung und Instandhaltung (inklusive Grundüberholung) betragen. Durch den erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor ergibt sich also ein wirtschaftlich relevanter Vorteil, wenn er entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben wird.
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Der Ölabscheider ist bevorzugt so gestaltet, dass auch feinste Öltropfen abgeschieden werden. Die Verbindung zwischen Auslass am Kurbelgehäuse und Ölabscheider ist bevorzugt stetig abfallend angeordnet, so dass auch Ölnebel, der an Außenwänden kondensiert, in Richtung Ölabscheider geleitet wird. Bevorzugte Ölabscheider arbeiten nach dem Prinzip der Parallelstrom-Tiefenfilterung, wobei sich die Filtereinsätze nicht erschöpfen sondern wartungsfrei über mehr als 20.000 Betriebsstunden eingesetzt werden können.
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Um das kontinuierliche Nachfüllen beim erfindungsgemäßen Verfahren zu gewährleisten, ist der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor in einer Ausführungsvariante dadurch gekennzeichnet, dass ein Frischölbehälter mit der Ölwanne verbunden ist, welcher eine Dosierungsvorrichtung aufweist.
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Bevorzugt ersetzt die Dosierungsvorrichtung automatisch verbrauchtes Öl durch Frischöl. Die notwendige Nachfüllmenge kann beispielsweise über den Füllstand der Ölwanne (z.B. mit Hilfe eines Schwimmers) ermittelt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass auf einer ersten Seite des Kurbelgehäuses auf einer Höhe zwischen Ölwanne und Kurbelwelle angeordnet ist. Dadurch wird der Luftstrom unterhalb der Kurbelwelle auf die gegenüberliegende zweite Seite des Kurbelgehäuses gelenkt. Weiters ist der mindestens eine Auslass bevorzugt auf der ersten Seite des Kurbelgehäuses oberhalb des Einlasses angeordnet. Dadurch wird der Luftstrom um die Kurbelwelle herum und oberhalb der Kurbelwelle zurück zur ersten Seite gelenkt.
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Diese Anordnung von Einlass und Auslass am Kurbelgehäuse bzw. Kurbelkasten hat sich als vorteilhaft für das Entfernen einer Teilmenge des Öls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herausgestellt. Auch mehrere Einlass- bzw. Auslassöffnungen können nebeneinander angeordnet sein. Beispielsweise können in der Richtung, in der sich die Längsachse der Kurbelwelle erstreckt, mehrere Einlässe auf gleicher Höhe an der Seite des Kurbelgehäuses den Eintritt von Luft ermöglichen.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet ist, dass ein weiterer Auslass im Bereich des Oberdecks des Kurbelgehäuses angeordnet ist.
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Bevorzugt ist der weitere Auslass in einem Bereich mit strömungsberuhigtem Gas im Kurbelgehäuse angeordnet. Dadurch wird über den weiteren Auslass ein Teilluftstrom geführt, der gegenüber dem Luftstrom aus dem seitlich angeordneten Luftstrom eine geringere Ölbeladung aufweist. Sind Auslass und weiterer Auslass mit Drosseleinrichtungen vorgesehen, kann die Teilmenge des ausgeführten Schmieröls aktiv reguliert werden.
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In einer Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine einstellbare Drossel den Luftstrom regelt, der durch den jeweiligen Auslass aus dem Kurbelgehäuse herausgeführt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Verbindung den Luftstrom von einer Luftansaugstelle des Verbrennungsmotors zu dem Einlass im Kurbelgehäuse führt und eine zweite Verbindung den Luftstrom aus dem Auslass, nach Passieren des Ölabscheiders, einer Zuluftleitung des Verbrennungsmotors zugeführt wird, wobei an der Stelle, bei der die Zuführung erfolgt, im Bereich der Motor-Volllast bevorzugt ein Unterdruck zwischen 60 und 110 mbar vorherrscht.
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Mit den beiden Verbindungen wird der Luftstrom in bereits vorhandene Strukturen eines stationären Verbrennungsmotors (Luftansaugstelle, Zuluftleitung) eingebunden. Ein Unterdruck zwischen 60 und 110 mbar herrscht bei einem stationären Verbrennungsmotor unter Volllast zum Beispiel vor dem Verdichter. Der Unterdruck unterstützt die Zirkulation des Luftstroms im Kurbelgehäuse und den kontinuierlichen Austrag der Teilmenge an Schmieröl. Der notwendige Volumenstrom des Luftstroms kann mit dem gegebenen Unterdruck gut erreicht werden. Die Funktionsweise des Ölabscheiders ist durch den Unterdruck auch gewährleistet ohne dass ein Sauggebläse als zusätzliches Bauteil notwendig wäre. Blowby Gase werden durch die weitere Verbindung vorteilhaft in den Verbrennungstrakt zurück geführt.
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Außerdem ist in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass am Kurbelgehäuse mit einer Selektionsvorrichtung versehen ist.
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Eine Selektionsvorrichtung kann auch als Ölabscheider betrachtet werden, wobei bevorzugt eine Ölfraktion abgeschieden wird, deren Tröpfchen einen Durchmesser von ca. 0,2 mm übersteigen. Die Selektionsvorrichtung verhindert, dass ein nennenswerter Anteil von noch gebrauchsfähigem Öl mit der Spülluft aus dem Motor ausgetragen wird. Nur die Öltropfenfraktion mit kleineren Durchmessern kann durch die Selektionsvorrichtung den Auslass am Kurbelgehäuse passieren, wodurch die Qualität der ausgetragenen Teilmenge den schlechtesten im Öl des Kurbelgehäuses vorhandenen Zustand aufweist. Bevorzugt ist die Selektionsvorrichtung ausgewählt aus der Gruppe Prallplatten, Umlenkplatten oder Zyklonen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im Folgenden wird das Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und stationäre Verbrennungsmotoren in schematischen Figuren und beispielhaften Ausführungen dargestellt.
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1 zeigt eine Skizze eines Querschnitts einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors.
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2 zeigt eine Skizze eines Querschnitts einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors.
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3 zeigt ein Diagramm zum Verlauf eines limitierenden Ölparamters bei Volllastbetrieb ohne Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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4 zeigt ein Diagramm zum Verlauf eines limitierenden Ölparamters bei Volllastbetrieb bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 skizziert vereinfacht einen Querschnitt durch einen Teil des Kurbelgehäuses 1 eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors. Im oberen Bereich befindet ist die Kolbengruppe 2 mit zwei schematisch dargestellten Zylindern. Der Kurbelkasten 3 macht den unteren Teil des Kurbelgehäuses 1 aus und zeigt die Kurbelwelle 4, die mit ihrer Längsachse in bzw. aus der Bildebene ragen würde. Unterhalb des Kurbelkastens befindet sich die Ölwanne 5, wobei die gefüllte Fläche das Ölreservoir 6 darstellt. An der rechten Seitenwand des Kurbelkastens 3 sind Öffnungen zu sehen. Der Einlass 7 und der Auslass 8 können entlang des Kurbelkastens 3 auch mehrfach ausgeführt sein.
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Die dargestellte Ausführungsvariante zielt darauf ab, jene Öltröpfchenfraktion, die am meisten von der Degradierung betroffen sind, zusammen mit den chemisch reaktiven Blow-by-Gasen rasch aus dem Kurbelgehäuse 1 auszutragen und die Temperatur um die Öltropfen im Triebwerksraum des Verbrennungsmotors zu reduzieren. Pfeile deuten Fluidbewegungen an, die für das erfindungsgemäße Verfahren relevant sind. Die Umspülung der Öltröpfchen mit kühler Luft reduziert die Oberflächenreaktionen und verringert die Alterungsrate des Öls. Dies wird dadurch erreicht, dass seitlich am Kurbelkasten 3 möglichst knapp über dem Ölniveau in der Ölreservoir 6 an mehreren Stellen kühle Frischluft durch den jeweiligen Einlass 7 eingeblasen wird. Die Einströmrichtung ist dabei tangential zur Bewegungsrichtung der Kurbelwelle 4, sodass die Spülluft unterstützt und verwirbelt durch die Bewegung der Hubzapfen zwischen Kurbelwelle 4 und Ölreservoirsumpf 6 zur gegenüberliegenden Seite des Kurbelkastens 3, von dort nach oben strömt. Schließlich wird der Luftstrom unter Mitnahme des aus der Kolbengruppe 2 bzw. den Zylinderlaufbüchsen in den Kurbelkasten 3 strömenden Blow-by-Gases aus dem Kurbelgehäuse 3 durch den Auslass 8 wieder ausgeleitet.
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Das austretende Gemisch aus Öltröpfchen, Spülluft und Blow-by-Gas wird vom Auslass 8 direkt zu einem Ölabscheider 9 geführt. Eine stetig fallende Verbindung des Auslasses 8 mit dem Ölabscheider 9 ist in 1 durch die strichlierte Linie angedeutet. Im Ölabscheider 9 wird das Öl abgetrennt und über den Ölauslass 15 einem Altölbehälter (nicht dargestellt) zugeführt. Das vom Ölballast befreite Gas wird über eine Gasleitung 16 in die Ansaugleitung des Verbrennungsmotors zurückgeführt (nicht dargestellt). Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich bei dem aus Ölauslass 15 ausgetragenen Öl vorwiegend um Schmieröl, das stärker von Degradierung betroffen ist, als das Öl in der Ölwanne. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass die ausgetragene Teilmenge Öl nicht wiederverwendet wird. Das insgesamt aus dem Verbrennungsmotor ausgetragene Öl sowie das vom Verbrennungsmotor verbrauchte Öl wird über die automatische Nachfüllungvorrichtung durch Frischöl aus einem nicht dargestellten Frischölbehälter ersetzt.
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2 zeigt einige weitere Details einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors. Die Darstellung des Kurbelgehäuse 1 entspricht, der in 1, wobei auf die Darstellung bereits diskutierten Elemente und die Beschriftung zur besseren Übersichtlichkeit teilweise verzichtet wurde.
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Am oberen Ende des Kurbelgehäuses 1 wird ein Teilstrom an einem weiterem Auslass 10 des Kurbelgehäusegases entnommen. Über eine einstellbare Drossel 11 ist dieser Teilstrom mit dem Lufstrom aus dem ersten Auslass 8 verbunden. Auch für den Luftstrom aus Auslass 8 ist vorteilhafterweise eine Drosselvorrichtung 12 eingesetzt. Das am oberen, strömungsberuhigten Ende des Kurbelgehäuses austretende Gas (weiterer Auslass 10) weist eine deutlich geringere Ölbeladung auf als das seitlich am Kurbelkasten austretende Gas (Auslass 8). Durch geeignete Stellungen der Drosselorgane kann das aus den beiden Teilströmen zusammengesetzte Mischgas 14 auf die gewünschte Ölbeladung eingestellt werden. Um zu vermeiden, dass über dieses seitlich austretende Gas große Öltropfen oder Spritzölanteile mitgerissen werden, sind entsprechende Selektionsvorrichtungen vorgesehen, beispielsweise ein zyklonartige Tropfenabscheider 13.
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3 und 4 zeigen Diagramme zum zeitlichen Verlauf eines Ölparameters gemäß praktiziertem Stand der Technik (3) sowie bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens (4).
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Die punktierte Linie 1 gibt den jeweiligen Wert eines relevanten Qualitätsparameters an, beispielsweise abgeleitet von Viskosität, TBN (total base number), TAN (total acid number), Oxidation und Nitration. Für den verwendeten Ölparameter gilt, dass größere Werte eine bessere Qualität des Öls abbilden. Zu Beginn des Betriebes hat der Ölparamter den Wert 7 und fällt dann über die Volllastbetriebszeit ab. Der Toleranzbereich für den Ölparameter ist durch den unteren Grenzwert von 4,5 gegeben, welcher in der Figur durch die strichlierte Linie 2 dargestellt ist. In 3 unterschreitet der Ölparameter dieses Limit nach 1500 Betriebstunden, wie durch die horizontale Linie 3 dargestellt. Damit muss für einen enstprechenden Motor nach 1500 Stunden Ölstandzeit ein Ölwechsel vorgenommen werden. 4 zeigt, dass bei Betrieb mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen der Grenzwert nicht unterschritten wird. Die Werte für den Ölparameter, bleiben, wie die Linie 1 zeigt, über dem Grenzwert. Die Daten beziehen sich auf einen Ölaustrag von 0,05g/kWh zusätzlich zu einem spezifischen Ölverbrauch von 0,15g/kWh.
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Die in
3 und
4 dargestellten Situationen betreffen beispielsweise einen stationären Verbrennungsmotor, der unter Standardanwendung folgende Merkmale zeigt:
| Motorleistung: | 1000 kW |
| spezifischer Schmierölverbrauch: | 0,15 g/kWh |
| Ölwanneninhalt: | 300 l |
| Ölstandzeit: | 1500 Betriebsstunden |
| Ansaugluftmenge: | 4.110 m3/h |
| Blow-by-Volumenstrom: | 26 m3/h |
| Ölfracht im Blow-by: | 11,7 g/h |
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Das Einsparungspotential, das sich durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt soll an Hand eines konkreten Zahlenbeispiels in vereinfachter Weise veranschaulicht werden. Bei normalem Betrieb werden innerhalb der Ölstandzeit von 1500 Betriebsstunden vom Motor 225 kg Öl verbraucht. Die Ölmenge, die in dieser Zeit über das Blow-by mitgeführt wird, entspricht etwa 18 kg. Beim Ölwechsel müssen ca. 220 kg Öl entsorgt werden.
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Um durch einen zusätzlichen Ölaustrag einen konstanten Öls-Qualitätszustand nahe am Limit der Gebrauchsfähigkeit, entsprechend einem erfindungsgemäßen Verfahren, zu erreichen, müssen beispielsweise zusätzlich 0,05 g/kWh mit einem Lufstrom ausgetragen werden. So kann wie in 4 dargestellt ein stabiler Gleichgewichtszustand der Ölqualität innerhalb der zulässigen Grenzwerte erreicht werden. Die maximal mögliche Ölbeladung der Spülluft mit einer Öltröpfchenfraktion von kleiner als ca. 10 µm beträgt ca. 1,0 g/m3; entsprechend muss der Luftstrom eine Spülluftmenge von ca. 50 m3/h aufweisen. Dies ist in etwa das Doppelte des Blow-by-Volumenstromes.
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Über die Laufzeit von 6000 Betriebsstunden muss nach Stand der Technik viermal ein Ölwechsel vorgenommen werden, so dass viermal der Ölwanneninhalt, d.h. 1200 l bereit gestellt werden, im Gegensatz dazu ist bei einer Laufzeit von 6000 Betriebstunden nach vorgeschlagenem Verfahren nur eine Frischöl-Nachfüllmenge von ca. 400 l erforderlich. Gegenüber dem Ölwechsel reduzieren sich die Ölkosten zum Bereitstellen von gebrauchsfähigem Öl auf ein Drittel.
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Positiv auf die Wirtschaftlichkeit wirken sich auch Wegfall von Standzeiten und Reduktion des zu entsorgenden Altöls aus, wobei der letzte Punkt auch aus Umweltgründen vorteilhaft zu bewerten ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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