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Die Erfindung betrifft einen Ventilschieber sowie einen Abscheider, insbesondere bei Verbrennungsmotoren, mit einem solchen Ventilschieber.
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Unter dem Begriff „Ventilschieber“ wird insbesondere, aber nicht ausschließlich ein in einem Ventil einsetzbares und verschiebbares Verschlusselement verstanden, das einen Durchfluss von einem Fluid oder Fluid-Gemisch durch das Ventil sowohl komplett sperren und freigeben, aber auch regulieren kann.
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Unter dem Begriff „Abscheider“ versteht man gemäß der Erfindung insbesondere, aber nicht ausschließlich ein Ventil mit einem zum Regeln eines Durchflusses durch das Ventil ausgebildeten Ventilschieber und einem Abscheideelement für ein Fluid, insbesondere aus einem Fluid-Gas-Gemisch. Der Abscheider kann auch als „Ölabscheider“ bezeichnet werden, wenn es sich bei dem Fluid um Öl handelt.
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In Hubkolbenverbrennungsmotoren entstehen konstruktionsbedingt Leckagespalte zwischen Zylinderwand und Zylinder bzw. den Kolbenringen, durch die Teile des Verbrennungsgases, sogenannte Blowby-Gase, vom Zylinder in das Kurbelgehäuse gelangen. Um ein „Aufblasen“ des Kurbelgehäuses bzw. einen Überdruck im Kurbelgehäuse zu vermeiden, muss das Kurbelgehäuse entlüftet werden, d.h. die Blowby-Gase werden aus dem Kurbelgehäuse herausgeleitet. Durch den Überdruck können Kräfte auf bewegliche Teile eines Verbrennungsmotors ausgeübt und dadurch diese in deren geplanten Funktionsausübung behindert werden. In einem geeigneten Abscheider werden dann Bestandteile wie Öl, Wasser und Kraftstoff aus dem Blowby-Gas separiert und dann wird das „gereinigte“ Gas wieder dem Ansaugtrakt zugeführt. Hierbei gewinnt die Reinheit des gereinigten Gases zunehmend an Bedeutung und somit die Anforderungen an die Effektivität der Ölabscheider.
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Wie allgemein bekannt ist die Menge an Blowby-Gas bzw. die Größe des Blowby-Volumenstroms, die bei der Kraftstoffverbrennung in einem Verbrennungsmotor oder Kolbenverdichter an den Kolbenringen entsteht und anschließend den Ölabscheider passieren muss, von der Drehzahl und dem Drehmoment eines Verbrennungsmotors abhängig. Beim Abscheider entsteht durch das abgeführte Blowby-Gas ein Druckverlust, der vom durchströmten Querschnitt des Abscheiders und vom abgeführten Blowby-Volumenstrom abhängig ist. Bei Abscheidesystemen, deren durchströmter Querschnitt nicht veränderlich ausgeführt ist - auch als „nichtschaltbarer Abscheider“ bezeichnet, steigt der Druck quadratisch zum Volumenstrom an. Durch den höheren Druck wird die Menge der abgeschiedenen Bestandteile bzw. die Größe des abgeschiedenen Volumenstroms erhöht.
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Jedoch wird zumeist vom Motorenhersteller gleichzeitig ein maximal zulässiger Druckverlust über den Abscheider vorgegeben. Dadurch soll sichergestellt werden, dass der Überdruck im Kurbelgehäuse nicht übermäßig ansteigt und einen bestimmten Grenzwert nicht übersteigt. Allerdings gilt diese Forderung unabhängig vom Lastpunkt, d.h. unabhängig von der Drehzahl und dem Drehmoment des Verbrennungsmotors. Des Weiteren nimmt die Menge des Volumenstromes von Blowby-Gas am Verbrennungsmotor im Laufe des Motorlebenszykluses zu. Daher muss der max. auftretende Volumenstrom des verschlissenen Motors, z.B. 130 Liter/min, für die Auslegung der Abscheider herangezogen werden.
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Schaltbare Abscheider, die den durchströmten Querschnitt volumenstromgeregelt verändern können, nutzen bei Lastpunkten mit geringem Volumenstrom (kleiner Querschnitt - hohe Strömungsgeschwindigkeit) bereits mehr Druckenergie für die Abscheidung als nicht schaltbare Abscheider und sind damit effizienter. In Bereichen hohen Volumenstromes geben die schaltbaren Abscheider dann mehr Strömungsquerschnitt frei, um bei maximalem Volumenstrom die Forderung des max. zulässigen Druckverlustes einhalten zu können.
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Die Verstellung des Strömungsquerschnittes erfolgt zumeist durch federbelastete Stellelemente/Ventile, wobei infolge des Druckanstieges weitere Querschnitte geöffnet werden. Meist kommen hier Schieberventile oder Tellersitzventile zum Einsatz.
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Tellersitzventile nach dem Stand der Technik haben den Nachteil, dass mit der Öffnung des Ventils „schlagartig“ ein großer Querschnitt, der zwischen verschlossenem Ventil und einer ersten axialen Bewegung des Ventilkörpers ergibt, freigegeben wird. Diese plötzliche Freigabe zusätzlichen Querschnittes führt wiederum zur Absenkung des Druckes vor dem Ventil. Die Absenkung des Druckes bewirkt dann wieder das Schließen des Ventils. Dieser indifferente Zustand des Ventils (Öffnen / Schließen) um den Öffnungspunkt herum kann zu einem Verschleiß am Ventilsitz und/oder zu akustischen Auffälligkeiten führen. Deshalb werden diese Ventile oft nur als Sicherheits- bzw. Überdruckventile verwendet, hingegen seltener zur definierten Regelung des Druckes über den Abscheider.
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Bei Schieberventilen wirkt der Druck an der strömungszugewandten Seite auf die Fläche eines Schiebers, auch als Ventilschieber bezeichnet, und bewegt den Schieber bei Druckzunahme gegen eine Federkraft in Strömungsrichtung. Die Bewegung des Schiebers bewirkt dann die Öffnung zusätzlichen Querschnittes bzw. Einlassöffnungen in den Abscheider.
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Um eine möglichst effiziente Ölabscheidung für jeden Blowby-Volumenstrom zu erreichen, ist es erforderlich, dass die Freigabe zusätzlichen Strömungsquerschnittes proportional zum anliegenden Volumenstrom erfolgt. Das Ziel ist eine gleich hohe Strömungsgeschwindigkeit im Abscheider bei Ausnutzung des vorhandenen Druckpotentials.
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Ein fiktiver „idealer Abscheider“ nutzt über den gesamten Volumenstrombereich den max. zulässigen Druckverlust. Ein schaltbarer Abscheider mit Einfachschieber nach dem Stand der Technik nutzt gegenüber dem zuvor beschriebenen nichtschaltbaren Abscheider bereits bei geringeren Volumenströmen mehr Druckpotential. Eine weitere Verbesserung gegenüber einem schaltbaren Abscheider mit Einfachschieber zeigt der Einsatz eines Mehrfachschiebers, auch als „Doppelschieber“ bezeichnet.
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Bei federbelasteten Ventilen ist für die Verstellung/Öffnung des jeweiligen Ventiles eine Druckdifferenz erforderlich. Diese Differenz sollte jedoch möglichst klein sein, was für die Schraubendruckfeder zur Forderung einer möglichst kleinen Federrate bzw. Federkonstante führt. Eine kleine Federrate D bedeutet, dass bei einer Federkraft F eine größere Auslenkung ΔL der Feder erfolgt - F=D•ΔL (Hookesches Gesetz). Für kleine Bauräume der Ventile, insbesondere mit kleinem Außendurchmesser und kurzer Länge, und der gewünschten Öffnungscharakteristik des Ventils stößt die Herstellbarkeit der Schraubendruckfedern bei den o.g. Ventilen an ihre Grenzen (Wickelverhältnis max. „20“ - Verhältnis aus mittlerem Windungsdurchmesser zu Drahtdurchmesser der Feder). Um Federn mit kleiner Federrate zu erhalten, müssten die Federn länger werden oder das Wickelverhältnis größer werden.
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Schieberventile gemäß dem Stand der Technik sind aus den nachfolgend genannten Schriften bekannt:
- DE 102012008808 A1 beschreibt eine Möglichkeit der Querschnittsfreigabe bei Druckerhöhung mittels Drehschieber, der allerdings wegen des großen Bauraumbedarfs hierbei von Nachteil ist.
- DE 112007003054 B4 beschreibt einen Abscheider mit zwei Strömungspfaden, bei dem der zweite Strömungspfad variable/zusätzliche Querschnitte freigibt. Als Stellglied dient hier ein federbelastetes Ventil (Flusscontroller). Hierbei wird ein Ausführungsbeispiel für ein Schieberelement vorgestellt, der im geschalteten Zustand weitere Querschnitte freigibt.
- DE 102005043198 A1 beschreibt allgemein einen Abscheider, dessen Strömungsgeschwindigkeit durch einen Parameter veränderbar ist.
- EP 2406469 B1 beschreibt einen schaltbaren Abscheider, der in einen Hohlraum integriert ist, wobei durch ein nicht näher beschriebenes Ventil ein zweiter paralleler Strömungsweg freigegeben wird, sobald ein gewisser Druck vor dem Abscheider überschritten wird.
- Aus der DE 10205981 A1 ist ebenfalls eine Anordnung mit schaltbaren Zyklonen bekannt. Mit einem Schieber können die Öffnungen der Zyklone geöffnet oder geschlossen werden. Hierzu sind in dem Schieber verschiedene Aussparungen vorgesehen, die jeweils eine unterschiedliche Größe aufweisen. So ist die Öffnung des Zyklons nur in einer Stellung offen.
- DE 102009035742 A1 beschriebt ein Schieberventil, dessen Ventilkörper eine Kugel ist.
- DE 102006034366 A1 betrifft ein Wege- oder Stromventil mit einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss und mit einem Schieber, durch den eine fluidische Verbindung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber die fluidische Verbindung an wenigstens zwei veränderlichen, parallel durchströmbaren und axial beabstandeten Öffnungsquerschnitten steuert.
- GB 2261719 A bezieht sich auf ein Strömungssteuerventil, das ein in einem Zylinder axial verschiebbares Hülsenverschlusselement umfasst. Die Hülse ist in Umfangsrichtung unterteilt, um eine Mehrzahl von sich axial erstreckenden Körperabschnitten zu definieren. Die Körperabschnitte sind so geformt, dass sie in eine Nut eingreifen können, die in einem Stützelement an einem Ende der Hülse ausgebildet ist. An einem gegenüberliegenden Ende der Hülse sind die Körperabschnitte mittels eines Rings gehalten.
- DE 102008006179 A1 stellt ein Steuerventil für eine Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen in Brennkraftmaschinen und DE 102013111955 A1 eine steuerbare Ölabscheideeinrichtung zur Abscheidung von Öl aus einem Gasstrom zur Entlüftung eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine bereit.
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Bisher musste bei bekannten federbelasteten Ventilen ein größerer Außendurchmesser bzw. eine größere Federlänge in Kauf genommen, oder eine steile Kennlinie akzeptiert werden mit dem Nachteil der schlechteren Ausnutzung der zur Abscheidung zur Verfügung stehenden Druckenergie.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schieberventil, insbesondere für Abscheider, derart zu verbessern, dass die zuvor genannten bzw. aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden. Insbesondere soll das Problem bei Schieberventilen gelöst werden, eine möglichst „weiche“ Federkennlinie unter engen Bauraumanforderungen zu erhalten.
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Hierzu stellt die Erfindung einen Ventilschieber gemäß Anspruch 1 bereit. Insbesondere ist hierbei ein Ventilschieber für einen Abscheider eines Fluides, insbesondere von Öl, aus einem Fluid-Gas-Gemisch vorgesehen, wobei der Ventilschieber in den Abscheider einsetzbar und von dem Fluid-Gas-Gemisch anströmbar ist. Dabei weist der Ventilschieber einen ersten Schieber und mindestens einen zweiten, in Strömungsrichtung nachgeordneten Schieber zum Schließen und Öffnen von Einlassöffnungen des Abscheiders auf, wobei der erste Schieber mit dem mindestens einen zweiten Schieber derart gekoppelt ist, um ein gleichzeitiges Schließen oder Öffnen der Einlassöffnungen zu ermöglichen, und wobei der erste Schieber einen durchströmbaren Querschnitt aufweist, um das Fluid-Gas-Gemisch an den mindestens einen zweiten Schieber weiterzuleiten. Zusätzlich weist der mindestens eine zweite Schieber radial bzw. strahlenförmig ausgebildete Rippen auf.
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Dies hat den Vorteil, dass der Ventilschieber als Mehrfachschieber ausgeführt ist und mehr Strömungsquerschnitt bzw. mehrere Strömungseinlassöffnungen in den Abscheider freigeben kann. Das bedeutet, dass die Schieber aufgrund der Kopplung untereinander gleichzeitig die ihnen zugeordneten Einlassöffnungen des Schieberventils öffnen können. Somit kann bei gleichem Weg des Ventilschiebers (respektive Federweg) mehr Querschnitt freigegeben werden. Dieser Effekt entspricht einer „weicheren“ Feder (größerer Federweg bei gleicher Kraft), bei der über einen normalerweise größeren Ventilschieberweg mehr Querschnitt freigeben werden würde.
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Des Weiteren hat der durchströmbare Querschnitt des ersten Schiebers den Vorteil, dass das Fluid-Gas-Gemisch unabhängig von der Stellung des Ventilschiebers im Ventil immer auf den mindestens einen zweiten Schieber trifft. Dadurch kann der Durchfluss des Fluid-Gas-Gemisches gleichzeitig vom ersten Schieber und vom dem mindestens einen zweiten Schieber geregelt bzw. gesperrt werden.
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Die Rippen haben den Vorteil, dass nicht nur eine stabile Struktur gebildet wird, sondern auch ein gleichmäßiger Strömungsfluss entlang der Rippen zu dem mindestens einen zweiten Schieber ermöglicht wird. Der gleichmäßige Strömungsfluss hilft für ein weicheres Schalten bzw. Regeln des Ventilschiebers.
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Es hat sich ebenfalls als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Ventilschieber mindestens eine Rastnase zum axialen Sichern des Ventilschiebers in dem Abscheider aufweist. Dadurch soll sichergestellt werden, dass ein in einen Abscheider eingesetzter Ventilschieber nicht eine vorbestimmte Wegstrecke in dem Abscheider überschreitet oder automatisch z.B. durch eine Federkraft aus dem Abscheider gelöst wird.
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Vorteilhafterweise ist der Ventilschieber mit einer Verdrehsicherung ausgeformt, insbesondere in Form eines Zweiflachs, um in einem in dem Abscheider eingesetzten Zustand ein Drehen um eine Achse des Ventilschiebers zu unterbinden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass beim Verschieben des Ventilschiebers innerhalb des Abscheiders stets dieselben Oberflächen oder Elemente des Ventilschiebers mit dem Abscheider in Kontakt treten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Ventilschieber einen Zentrierbund als Anschlag für eine auf den Ventilschieber aufziehbare Feder auf. Dadurch wird zum einen eine Wegbegrenzung der Feder auf dem Ventilschieber erreicht. Des Weiteren hilft der Bund, ein seitliches Auslenken der Feder bei einer Stauchung zu unterbinden. Hierbei hat der Zentrierbund vorteilhafterweise einen Durchmesser, der im Wesentlichen dem Innendurchmesser der Feder entspricht.
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Vorteilhafterweise ist der erste Schieber mit den radial ausgebildeten Rippen des in Strömungsrichtung nachgeordneten zweiten Schiebers fest verbunden oder ausgebildet. Dadurch ist der erste Schieber stabil an der Strömungsspitze des Ventilschiebers angeordnet bzw. befestigt.
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Es hat sich ebenfalls als vorteilhaft herausgestellt, wenn der mindestens eine zweite Schieber einen Umlenkkegel aufweist, der von dem Fluid-Gas-Gemisch anströmbar ist. Dies hat den Vorteil, dass der Strömungsfluss gleichmäßig und mit geringer bzw. ohne Strömungsverwirbelung in den Abscheider geleitet wird.
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Es wird zusätzlich betont, dass der erfindungsgemäße Ventilschieber auch für andere Schieberventile, als für ein in einem Abscheider einsetzbarem Ventil, geeignet ist. Außerdem ist der Ventilschieber nicht nur für Fluid-Gas-Gemische, sondern auch für Flüssigkeiten und/oder Gase geeignet.
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Des Weiteren können mehr als zwei Schieber am Ventilschieber ausgebildet sein, um den regelbaren Querschnitt durch den Abscheider zu vergrößern. Die Schieber sind in Strömungsrichtung nacheinander entlang der Achse des Ventilschiebers beabstandet voneinander angeordnet. Hierbei ist darauf zu achten, dass jeder Schieber durch den durchströmbaren Querschnitt des ersten Schiebers mit dem Strömungsfluss in Verbindung stehen kann bzw. jeder Schieber eine Strömungsverbindung zum ersten Schieber hat, unabhängig vom Schaltungszustand des Ventilschiebers. Damit bei mehreren Schiebern sowohl die Schieber in Strömungsverbindung stehen und der Ventilschieber gleichmäßig durch den Fluid-Gas-Druck bzw. -Strom gegen eine Feder ausgelenkt wird, sind die Schieber und deren Strömungsverbindung zum ersten Schieber vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass der größte Teil des Drucks/Stroms gegen den in Strömungsrichtung letzt angeordneten der Schieber wirkt.
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Vorteilhafterweise weist der durchströmbare Querschnitt wenigstens einen Strömungskanal auf, der sich entlang der Achse erstreckt und eine stromaufwärts angeordnete Seite mit einer stromabwärts angeordneten Seite des ersten Schiebers verbindet. Dies hat den Vorteil, dass das Fluid-Gas-Gemisch kontrolliert durch den ersten Schieber geleitet werden kann.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls einen Abscheider zum Abscheiden von Öl aus einem Öl-Gas-Gemisch, insbesondere aus einem Blowby-Gas, mit einem Vliesträger, einem Vlies und einem erfindungsgemäßen Ventilschieber, wobei das Vlies zumindest teilweise um den Vliesträger angeordnet ist. Zusätzlich weist der Vliesträger einen Strömungseingangstrichter (auch als Eingangstrichter bezeichnet) für das Öl-Gas-Gemisch und eine Ventilschieberaufnahme aufweist, wobei der Strömungseingangstrichter mit radial um eine Achse des Vliesträgers angeordneten Düsen und die Ventilschieberaufnahme mit radial um die Achse des Vliesträgers angeordneten und axial beabstandeten Einlassöffnungen ausgebildet sind, wobei die Einlassöffnungen durch ein Verschieben des Ventilschiebers entlang der Achse gleichzeitig verschließbar oder zu öffnen sind.
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Daraus ergibt sich der Vorteil, dass aufgrund der Düsen der Abscheider stets einen minimalen Durchgangsquerschnitt für das Blowby-Gas aufweist. Sobald der Volumenstrom des Öl-Gas-Gemisches steigt, wird durch den erfindungsgemäßen Ventilschieber ein im Vergleich zum Stand der Technik größerer Durchflussquerschnitt freigegeben; insbesondere kann die Feder für einen kleineren Bauraum angepasst werden bzw. die Feder kann verkleinert werden. Des Weiteren ergibt sich dadurch, eine einfachere Einstellung der gewünschten Kennlinie des Abscheiders. Durch die Verteilung der freizugebenden Querschnitte am jeweiligen Schieberelement ergibt sich ebenfalls eine optimale Nutzung der Vliesfläche (bei Verwendung von Vlies als Abscheideelement). Auch eine effizientere Nutzung des vorhandenen Druckpotentials für die Ölabscheidung im Teillastbereich (geringe Drehzahl, geringe Last) des Motorkennfeldes ist möglich und von Bedeutung, da Teillastbereiche einen großen zeitlichen Anteil im Gesamtlebenslaufzyklus des Motors haben.
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Vorzugsweise sind die Ausgänge der Düsen auf eine Stirnfläche des Vlieses und die Ausgänge der Einlassöffnungen auf eine Innenmantelfläche des Vlieses gerichtet. Dies hat den Vorteil einer gleichmäßigen und somit optimalen Nutzung des Abscheideelements.
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Zur Schaltbarkeit des Abscheiders ist vorteilhafterweise auf dem Ventilschieber eine Feder aufgezogen und zwischen Ventilschieber und Ventilschieberaufnahme radial angeordnet und in Richtung der Schraubenfederachse vorgespannt, wobei eine Kraft der Feder auf den Ventilschieber in Richtung des Strömungseingangstrichters wirkt.
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Es hat sich ebenfalls als vorteilhaft herausgestellt, wenn sich der Strömungseingangstrichter zur Ventilschieberaufnahme hin konisch verjüngt und die Ventilschieberaufnahme als hohlzylinderförmige Hülse mit einer Bodenöffnung ausgebildet ist, wobei der Ventilschieber in die Bodenöffnung eingesetzt und durch Einrastmittel, insbesondere durch mindestens einer Rastnase, des Ventilschiebers an einem vollständigen Herausziehen gehindert ist. Die konische Form bewirkt einen gleichmäßigen Strömungsfluss mit geringen Verwirbelungen und somit einen Druckverlust. Aufgrund des Eingriffes des Einrastmittels mit der Bodenöffnung sind keine weiteren Befestigungsmittel zum axialen Sichern des Ventilschiebers notwendig.
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Vorteilhafterweise stehen die Ventilschieberaufnahme und der Ventilschieber derart miteinander in Eingriff und/oder sind derart ausgebildet, dass eine Verdrehung des Ventilschiebers um die Achse unterbunden ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Schieber die entsprechenden Einlassöffnungen in der Ventilschieberaufnahme des Vliesträgers öffnen oder schließen; selbst wenn der Schieber keine durchgehend ringförmige Außenfläche aufweist.
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Es hat sich des Weiteren als vorteilhaft erwiesen, wenn die Ventilschieberaufnahme eine Bodenöffnung aufweist, in der der Ventilschieber axial verschieblich und durch eine Formschlussverbindung verdrehsicher angeordnet ist. Diese Führungseigenschaft unterstützt eine gleichbleibende Funktion des Ventilschiebers beim Öffnen und Schließen der Einlassöffnungen des Vliesträgers.
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Die Formschlussverbindung ist vorteilhafterweise durch einen am Ventilschieber ausgebildeten Zweiflach und eine entsprechende Profilierung der Bodenöffnung gebildet und ist in seiner Herstellung einfach und kostengünstig und in seiner Funktion zuverlässig.
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Für den Ventilschieber und für den Abscheider ist es nicht notwendig, dass ein Vliesstoff als Abscheideelement oder ein strömungsoptimierter Umlenkkegel zur Verringerung des Druckverlustes verwendet wird. Ebenso können beide Gegenstände in rotierenden als auch in stehenden Systemen Anwendung finden. Außerdem können die jeweils freizugebenden Querschnitte am jeweiligen Schieber variiert werden, um ein optimale Nutzung der Vliesfläche und eine gleichmäßige Anströmung zu ermöglichen. Auch die Abstände der Öffnungslinien am Mehrfachschieber und der Öffnungslinie der Düsen im Vliesträger können verschieden groß sein. Dies würde dazu führen, dass die verschlossenen radialen Querschnitte an den Schieberkanten bei verschiedenen Federwegen freigegeben werden würden.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die schematischen Zeichnungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.
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In diesen zeigen:
- 1a eine perspektivische Ansicht eines Ventilschiebers gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels;
- 1b eine Vorderansicht des Ventilschiebers aus 1a;
- 1c einen Vergrößerungsausschnitt auf einen Endabschnitt des Ventilschiebers aus 1e;
- 1d eine Ansicht von rechts des Ventilschiebers aus 1e;
- 1e eine Draufsicht auf den Ventilschieber aus 1b;
- 1f eine Ansicht von links des Ventilschiebers aus 1e;
- 2a Halbschnittdarstellung der Seitenansicht auf einen Vliesträger für einen Ventilschieber aus 1a;
- 2b eine Querschnittsansicht auf den Vliesträger von 2a;
- 2c eine Ansicht von links des Vliesträgers aus 2a;
- 2d einen Vergrößerungsausschnitt auf eine der Düsen des Vliesträgers aus 2a;
- 2e einen Vergrößerungsausschnitt auf eine Rastnase des Vliesträgers aus 2a;
- 3 eine Explosionsansicht eines Ventilschiebers gemäß der Erfindung mit einer Feder und einem Vliesträger aus 2a;
- 4a eine Querschnittsansicht eines in einen Vliesträger eingesetzten Ventilschiebers aus 3 im gesperrten Zustand;
- 4b eine Querschnittsansicht eines in einen Vliesträger eingesetzten Ventilschiebers aus 3 im geöffneten Zustand;
- 4c einen Vergrößerungsausschnitt auf einen Schieber des Ventilschiebers aus 4a;
- 5a eine Seitenlängsschnittsansicht eines in einem Gehäuse eingesetzten Abscheiders im geschlossenen Zustand; und
- 5b eine Querschnittsansicht des Abscheiders aus 5a.
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1a bis 1f zeigen verschiedene Ansichten eines Ventilschiebers 2 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Der Ventilschieber 2 ist entlang einer Achse 18 bolzenförmig ausgebildet. Er weist eine strömungsoptimiert ausgeformten Spitze auf. Die Spitze ist optional. In Strömungsrichtung hinter der Spitze weist der Ventilschieber 2 einen ringförmigen ersten Schieber 6 auf.
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Der erste Schieber 6 weist einen durchströmbaren Querschnitt 12 auf. Im Betrieb kann ein Fluid-Gas-Gemisch den ersten Schieber 6 deshalb entlang der Achse 18 durchströmen. Dazu umfasst der durchströmbare Querschnitt 12 wenigstens eine, insbesondere mehrere, bspw. sechs Strömungskanäle, die sich entlang der Achse 18 erstrecken und eine stromaufwärts angeordnete Seite, insbesondere Stirnseite, mit einer stromabwärts angeordneten Seite, insbesondere Stirnseite, des ersten Schiebers 6 verbinden. Eine andere Anzahl von Strömungskanälen ist möglich.
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Mit anderen Worten weist der ringförmige erste Schieber 6 einen kreisförmigen Querschnitt auf, der zumindest teilweise durchströmbar ist.
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Andere Geometrien des ersten Schiebers 6 sind möglich.
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In Strömungsrichtung hinter dem ersten Schieber 6 weist der Ventilschieber 2 und einen davon in Strömungsrichtung axial beabstandeten zweiten Schieber 8 auf. Vom zweiten Schieber 8 erstrecken sich sechs von der Achse 18 strahlenförmig ausgebildete Rippen 24 in den ersten Schieber 6 hinein. Die Rippen 24 bilden die voneinander getrennten Strömungskanäle, die den ersten Schieber 6 und den zweiten Schieber 8 verbinden.
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Der zweite Schieber 8 weist auf seiner dem ersten Schieber 6 zugewandten Seite einen Umlenkkegel 26 auf, der von seiner Außenseite in Richtung des ersten Schiebers 6 zur Achse 18 hin konkav gekrümmt verläuft. Unterhalb des zweiten Schiebers 8 in axialer Richtung ist unmittelbar ein zylinderförmiger Zentrierbund 20 angeordnet, der im Vergleich zum zweiten Schieber 8 einen kleineren Durchmesser aufweist und dazu dient, einen Anschlag und eine Aufnahme-/Lagerfläche für eine Feder bereitzustellen. Dem Zentrierbund 20 nachfolgend sind ein zylinderförmiger Federträgerabschnitt 60 und ein Endabschnitt 58 ausgebildet. An zwei gegenüberliegenden Seiten des Federträgerabschnitts 60 ist ein Zweiflach 16 als Verdrehsicherungsmittel für eine Aufnahme (nicht dargestellt) ausgeformt. Der Zweiflach 16 erstreckt sich von einem Punkt des Federträgerabschnitts 60 bis zum Endabschnitt 58. An dem Endabschnitt 58 sind auf dessen Außenseite zwei sich gegenüberliegende Rastnasen 14 ausgeformt, die gegenüber dem Zweiflach 16 um 90 Grad gedreht angeordnet sind. Beim Fügen des Ventilschiebers 2 in den Vliesträger 28 erfolgt eine elastische Verformung, insbesondere eine elastische Erweiterung, der Bohrung bzw. Bodenöffnung 50 des Vliesträgers 28, um den Endabschnitt 58 mit dessen Rastnasen 14 hindurchzuführen. Nachdem die Rastnasen 14 durch die Bohrung 50 hindurch sind, geht die Bohrung 50 wieder in ihre Ausgangsform zurück - sie entspannt sich. Dadurch entsteht ein Formschluss zur axialen Sicherung (Rastierung) des Schiebers 2 mit dem Vliesträger 28. In anderen vorteilhaften Ausführungsformen können zusätzlich oder alternativ die Rastnasen elastisch verformbar sein.
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Unter einem Zweiflach wird eine Komponente einer Formschlussverbindung verstanden, die wenigstens zwei ebene Anlageflächen aufweist, die mit einem entsprechenden Gegenstück der Aufnahme als Verdrehsicherung zusammenwirken. Eine andere Anzahl von Anlageflächen, bspw. eine einzige Anlagefläche (Einflach) oder allgemein mehrere Anlageflächen (Mehrflach) sind möglich.
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2a bis 2e zeigen verschiedene Ansichten eines Vliesträgers 28, der als Aufnahme bzw. Hülse für den Ventilschieber 2 (nicht dargestellt) und als Träger für ein Vlies (nicht dargestellt) dient. Der Vliesträger 28 ist entlang einer Achse 36 bolzenförmig, insbesondere hohlzylinderförmig, ausgebildet und wird in einen Strömungseingangstrichter 32 und eine Ventilschieberaufnahme 34 unterteilt. Der Trichter 32 hat einen größeren Durchmesser als die Aufnahme 34, damit ein Abscheideelement, insbesondere in Form eines Vlieses, bündig mit der Außenfläche des Trichters 32 auf der Aufnahme 32 angeordnet werden kann. Die Außenseite des Trichters 32 hat eine zylinderförmige Mantelfläche mit mehreren nicht verformbaren Rastnasen 54. Die Innenseite des Trichters 32 verjüngt sich konisch zur Aufnahme 34 und weist konzentrisch um die Achse 36 und regelmäßig voneinander beabstandet ausgebildete Düsen 38 auf; in diesem Beispiel sind sechs Düsen 38 vorhanden. Diese Düsen 38 leiten ein Blowby-Gas über deren jeweiligen Kanal an entsprechende Ausgänge 44 in Richtung der Aufnahme 34, insbesondere parallel zur Vliesträgerfläche 52 an der Außenseite der Aufnahme 34. Dabei hat der an der Innenseite des Trichters 32 ausgebildete Eingang der Düsen 38 einen größeren Querschnitt als deren Ausgang 44, wodurch das Blowby-Gas beschleunigt wird. Auf der Außenseite der Ventilschieberaufnahme 34 sind mehrere Trägerstege 56 bzw. -rippen vom unteren Rand des Trichters 32 bis kurz vor einer Bodenöffnung 50 der Aufnahme 34 ausgebildet, wobei die Stege 56 gegenüber der Achse 36 parallel und strahlenförmig ausgeformt sind und der zylinderförmige Umfang der Stege 56 die Vliesträgerfläche 52 bildet. Die Bodenöffnung 50 ist eine im Wesentlichen kreisförmige Bohrung mit zwei Zweiflächen, dessen Querschnitt zu dem des zuvor beschriebenen Ventilschiebers identisch ist und somit ein axiales und verdrehsicheres Verschieben des Ventilschiebers entlang der Achse 36 ermöglicht. Ähnlich wie die Anordnung der Düsen 38 sind an der Innenmantelfläche der Aufnahme 34 und konzentrisch um die Achse 36 angeordnete erste Einlassöffnungen 40 und zweite Einlassöffnungen 42 zur Außenseite der Aufnahme 34 vorhanden. Die Form bzw. der Querschnitt jeder Einlassöffnung 40, 42 ist bei einer Draufsicht rechteckig.
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3 zeigt eine Explosionsansicht eines Abscheiders 4 mit einem Ventilschieber 2 aus den 1a bis 1f, einem Vliesträger 28 aus den 2a bis 2e und einer Feder 22; allerdings ohne Abscheideelement bzw. Vlies. Hierbei erkennt man, dass die Achsen 18 und 36 des Ventilschiebers 2 und des Vliesträgers 28 identisch sind. Die Feder 22 fungiert als Schaltmittel für den Ventilschieber 2 und wird je nach Blowby-Gas-Volumenstrom oder -Druck zusammengestaucht. Sobald der Volumenstrom bzw. Druck eine Wertgrenze unterschreitet, wird der Ventilschieber 2 durch die Feder 22 in eine Ausgangs- bzw. Schließposition verschoben.
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4a bis 4c zeigen verschiedene Querschnittsansichten eines zusammengesetzten Abscheiders 4 aus 3. Hierbei sind in den 4a und 4c die Einlassöffnungen 40 und 42 durch den ersten und zweiten Schieber 6 und 8 vollständig abgedeckt und somit geschlossen. Diese Stellung wird als Ausgangs- bzw. Schließposition des Abscheiders 4, insbesondere des Ventilschiebers 2, bezeichnet und erfolgt, wenn der Volumenstrom bzw. Druck des Blowby-Gases einen bestimmten Wert unterschreitet. Die Position des Ventilschiebers 2 wird in der Schließposition im Wesentlichen durch die Position der Rastnasen 14 bestimmt, die ab einem bestimmten Punkt mit dem unteren Rand der Bodenöffnung 50 in Eingriff kommen und ein weiteres Verschieben des Ventilschiebers 2 durch die Feder 22 blockieren. Bei geringem Volumenstrom strömt somit das gesamte Blowby-Gas durch die axialen Düsen 38 des Vliesträgers 28 und trifft direkt auf das Abscheidemedium (nicht dargestellt). Der Querschnitt der axialen Düsen ist relativ klein gehalten (z.B. ca. 15qmm), sodass sich bei einem Volumenstrom von ca. 30Liter/min eine Gesamtdruckdifferenz von rund 8mbar über den Abscheider 4 einstellt. In der 4b sind die Einlassöffnungen 40 und 42 vollständig offen und durch den ersten und zweiten Schieber 6 und 8 nicht mal teilweise abgedeckt. Diese Stellung wird als Öffnungsposition des Abscheiders 4, insbesondere des Ventilschiebers 2, bezeichnet und erfolgt, wenn der Volumenstrom bzw. Druck des Blowby-Gases einen bestimmten Wert überschreitet. Das heißt, dass in Lastpunkten mit größerem Blowby-Volumenstrom sich der Druck strömungsseitig vor dem Schieber 2 erhöht. Dadurch bewegt sich der Mehrfach-Ventilschieber 2 nach „rechts“ und drückt die Schraubenfeder 22 um einen Federweg zusammen. Aufgrund der Kopplung beider Schieber 6 und 8 (und des gleichen Abstands der Öffnungslinien am Mehrfachschieber 2 und der Öffnungslinien der Eingangsöffnungen 40, 42 im Vliesträger 28) werden jetzt gleichzeitig die radialen Querschnitte freigegeben und der Blowby-Gasstrom teilt sich neben dem Strom durch die Düsen 38 in zwei weitere Teilströme durch die Einlassöffnungen 40 und 42 auf. Der Gasstrom kann somit über eine größere Fläche des Abscheideelements (nicht dargestellt) verteilt und somit die Ölabscheidung verbessert werden.
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5a und 5b zeigen verschiedene Ansichten eines Abscheiders 4 aus 4a mit einem Vlies 30, der in ein Gehäuse 62 eingesetzt ist. Das Gehäuse 62 dient hierbei, das abgeschiedene Öl abzufangen bzw. aufzusammeln und weiterzuleiten. Dabei ist der Abscheider 4, insbesondere der Vliesträger 28 mittels der Rastnasen 54 in dem Gehäuse 62 befestigt. Die in 5a gezeigte Einlassöffnung 40 hat in diesem Beispiel eine Breite von 1,5 mm, ist aber im Allgemeinen nicht auf diesen Wert beschränkt. Der in 5b gezeigte Querschnitt K-K aus 5a verläuft auf Höhe des ersten Schiebers 6, der in diesem Beispiel einen Außendurchmesser von 8,8 mm hat (siehe untere Distanzabmessung in 5b), aber im Allgemeinen nicht auf diesen Wert beschränkt ist. Hierbei entspricht der Außenmesser des ersten Schiebers 6 dem Innendurchmesser der Einlassöffnung 40. Die Breite am radialen Ende zwischen den Rippen 24 beträgt vorzugsweise 3,7 mm (siehe obere Distanzabmessung in 5b). Bei geringem Blowby-Volumenstrom auf/in den Abscheider 4 wird der Ventilschieber 2 auf Grund der stärkeren Kraft der Feder 22 gegen den Strom nicht verschoben. Dadurch bleiben die Eintrittsöffnungen 40, 42 durch die Schieber 6 und 8 verschlossen und das gesamte Blowbygas wird durch die Düsen 38 auf die Vorderseite bzw. Stirnfläche 46 des Vlies 30 und somit in das Vlies 30 geleitet. Sobald sich der Volumenstrom erhöht, steigt auch der Druck auf den Ventilschieber 2 und somit auf die Feder 22. Dabei verschiebt sich der Ventilschieber 2 und öffnet die Einlassöffnungen 40,42, zumindest teilweise. Dadurch kann das Blowbygas nicht nur durch die Düsen 38, sondern auch durch die Einlassöffnungen 40, 42 auf die Innenmantelfläche 48 des Vlies 30 geleitet werden. Das bedeutet, dass die Strömungswege des Blowbygases zum einen durch die Düsen 38 und des Weiteren über die Einlassöffnungen 40, 42 auf das Vlies 30 verlaufen. Sobald die Federkraft gleich dem Druck des Volumenstroms entspricht, wird der Ventilschieber 2 nicht mehr verschoben und die Feder 22 nicht weiter zusammengedrückt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Ventilschieber
- 4
- Ölabscheider
- 6
- erster Schieber
- 8
- zweiter Schieber
- 10
- frei
- 12
- durchströmbarer Querschnitt (des 1. Schiebers)
- 14
- Rastnase
- 16
- Zweiflach (als Verdrehsicherung)
- 18
- Achse (des Ventilschiebers)
- 20
- Zentrierbund für Feder
- 22
- Feder
- 24
- Rippen (des 2. Schiebers)
- 26
- Umlenkkegel (des 2. Schiebers)
- 28
- Vliesträger
- 30
- Vlies
- 32
- Strömungseingangstrichter (des Vliesträgers)
- 34
- Ventilschieberaufnahme (des Vliesträgers)
- 36
- Achse (des Vliesträgers)
- 38
- Düse (des Vliesträgers)
- 40
- Einlassöffnung (des Vliesträgers)
- 42
- Einlassöffnung (des Vliesträgers)
- 44
- Ausgang (der Düse)
- 46
- Stirnfläche (des Vlieses)
- 48
- Innenmantelfläche (des Vlieses)
- 50
- Bodenöffnung (der Ventilschieberaufnahme)
- 52
- Vliesträgerfläche
- 54
- Rastnase (des Vliesträgers)
- 56
- Trägersteg (des Vliesträgers)
- 58
- Endabschnitt (des Ventilschiebers)
- 60
- Federträgerabschnitt (des Ventilschiebers)
- 62
- Gehäuse (für Abscheider)
- W
- Vergrößerungsausschnitt (von Einlassöffnung und 1. Schieber)
- X
- Vergrößerungsausschnitt (von der Rastnase)
- Y
- Vergrößerungsausschnitt (von der Düse)
- Z
- Vergrößerungsausschnitt (vom Endabschnitt des Ventilschiebers)
