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Die vorliegende Erfindung betrifft eine aktive Ölabscheidevorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Ölabscheidevorrichtungen in Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen dienen grundsätzlich dazu, Ölpartikel aus den in dem Kurbelgehäuse vorhandenen und über die Kurbelgehäuseentlüftung abgeführten Gasströmen abzuscheiden. Die austretenden Gasströme mit den Ölpartikeln werden auch als sogenannte Blow-by-Gase bezeichnet. Nach dem Abscheiden der Ölpartikel wird der gereinigte Gasstrom in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine und die abgeschiedenen Ölpartikel werden in ein Ölreservoir bzw. in den Ölkreislauf zurückgeführt, wodurch im Ergebnis die Abgaswerte der Brennkaftmaschine verbessert werden können. Dabei gilt der Grundsatz, je höher der Abscheidegrad der Ölpartikel aus dem Blow-by-Gas ist, desto besser sind die Abgaswerte der Brennkraftmaschine.
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Verbranntes Öl erzeugt Aschepartikel, welche den Dieselpartikelfilter zusetzen und dessen Standzeit verringern. Damit ist es erstrebenswert, dass in dem zurückgeführten gereinigten Gasstrom nach Möglichkeit keine Ölpartikel mehr vorhanden sind.
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Bekannte Ölabscheidevorrichtungen umfassen z.B. einen oder mehrere Zyklonabscheider mit einer Wirbelkammer mit einem tangentialen Eintritt für den Gasstrom. Ferner umfasst der Zyklonabscheider eine Kegelwand, an der der Gasstrom entlang geführt wird, und an der die Ölpartikel schwerkraftbetätigt ablaufen. Das gereinigte Blow-by-Gas wird dann über ein Tauchrohr aus dem Inneren des Gaswirbels abgezogen.
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Aus den Druckschriften
DE 10 2007 046 235 A1 und
DE 10 2007 058 059 A1 ist eine Weiterentwicklung einer derartigen Ölabscheidevorrichtung bekannt, bei der das Öl nach demselben Abscheideprinzip mit einer Wirbelkammer abgeschieden wird. Bei dieser Lösung wird das gereinigte Blow-by-Gas nicht über ein Tauchrohr abgeführt, sondern stattdessen durch eine am Ende eines auslaufseitigen Endes der Gaswirbelströmung angeordnete Gasauslassöffnung der Wirbelkammer.
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Grundlage der beschriebenen Ölabscheidung ist ein Wirbel, welcher in einer Wirbelkammer bewusst unter Ausnutzung der Strömung des aus dem Kurbelgehäuse herausgeführten Gasstromes erzeugt wird. Dabei werden allein die bei vorgegebenen Druckverlusten erzeugbaren Strömungsgeschwindigkeiten des Gasstromes selbst und die Strömungsführung des Gasstromes zur Erzeugung des Wirbels ausgenutzt. Solche Ölabscheidevorrichtungen werden infolgedessen auch als passive Ölabscheidevorrichtungen bezeichnet.
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Ein Nachteil derartiger passiver Ölabscheidevorrichtungen liegt darin, dass der Abscheidegrad der Ölpartikel aus den zurückgeführten Blow-by-Gasen abhängig von verschiedenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ist, da die Ölabscheidung in den Blow-by-Gasen von der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes und von der Beladung des Gasstromes mit Ölpartikeln abhängig ist. Wird die Brennkraftmaschine unter Volllast betrieben, so tritt aufgrund der großen Druckdifferenz zwischen dem Brennraum und dem Kurbelgehäuse eine große Menge an Blow-by-Gasen mit einer großen Beladung mit Ölpartikeln in das Kurbelgehäuse ein. Ferner ist der Abscheidegrad selbst aufgrund der maximal zu erzielenden Strömungsgeschwindigkeit des zurückgeführten Gasstromes und der dadurch bedingten Wirbelgeschwindigkeit in der Höhe begrenzt.
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Ferner ist es bekannt, aktive Ölabscheideeinrichtungen mit einer Antriebseinrichtung und einem von der Antriebseinrichtung antreibbaren Antriebsrad zu verwenden. Als Antriebsrad kann z.B. ein Zentrifugalabscheider mit einem antreibbaren Tellerseparator, verwendet werden, in dem die Ölpartikel aus den zurückgeführten Blow-by-Gasen durch Spalte zwischen aktiv rotatorisch antreibbaren Tellern radial nach außen geschleudert werden. Eine solche aktive Ölabscheidevorrichtung ermöglicht eine Ölabscheidung, welche wesentlich unabhängiger von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine ist, als dies bei passiven Ölabscheidevorrichtungen der Fall ist.
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Nach neueren Erkenntnissen ist es wünschenswert, die Kolbenringe in modernen Brennkraftmaschinen zur Reduzierung der Verbrauchswerte mit einer möglichst geringen Vorspannkraft vorzuspannen, wodurch die Menge an Blow-by-Gasen und die Beladung der Blow-by-Gase mit Ölpartikeln zunehmen. Damit müssen die Abscheidegrade im Umkehrschluss erhöht werden, wenn sich die Abgaswerte nicht verschlechtern sollen. Zusätzlich gibt es bei der Kolbenringauslegung den Wunsch nach höheren Unterdrücken in dem Kurbelgehäuse, die insbesondere höher sein können, als die im Ansaugtrakt vorherrschenden Unterdrücke, wodurch das „Hochziehen“ von Öl an den Kolbenringen vorbei in den Brennraum verhindert werden kann.
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Aufgrund der ständig steigenden Anforderungen des Gesetzgebers bzw. der Fahrzeughersteller an die Reduzierung der Abgaswerte und der Forderung nach höheren Standzeiten ist es ferner grundsätzlich das Bestreben, die Abscheidegrade der Ölpartikel aus den zurückgeführten Blow-by-Gasen weiter zu erhöhen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird in der noch nicht veröffentlichten Anmeldung der Anmelderin eine alternative aktive Ölabscheidevorrichtung vorgeschlagen, bei der eine Antriebseinrichtung mit einem rotatorisch antreibbaren Schaufelrad vorgesehen ist, und bei der der Gasstrom bei einer Aktivierung der Antriebseinrichtung durch die Drehung des Schaufelrades zu dem Wirbel antreibbar ist.
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Sowohl bei den aktiven Ölabscheidevorrichtungen mit den beschriebenen Tellerseparatoren als auch bei den aktiven Ölabscheidevorrichtungen mit den antreibbaren Schaufelrädern basiert die Ölabscheidung auf den in dem Gasstrom hervorgerufenen Zentrifugalkräften, welche durch das rotatorisch antreibbare Antriebsrad in dem Gasstrom erzeugt werden. Die erzeugten Zentrifugalkräfte und damit der Ölabscheidegrad hängen dabei unmittelbar mit der Drehzahl des jeweiligen Antriebsrades zusammen, was über eine Druckregelvorrichtung verhindert werden kann.
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Ein Problem der beschriebenen aktiven Ölabscheidevorrichtungen ist es, dass das Antriebsrad nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine trägheitsbedingt noch für eine kurze Zeitspanne nachläuft und dabei unerwünschte Geräusche erzeugt bzw. Zentrifugalkräfte in dem Gasstrom erzeugen kann, obwohl keine Ölabscheidung mehr erforderlich ist. Ferner ist es sogar möglich, dass die aktive Ölabscheidevorrichtung während der Nachlaufphase oder auch durch bei Überdrehzahlen aufgrund einer fehlerhaften Steuerung einen unerwünschten Druckabfall in dem Kurbelgehäuse bewirkt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte aktive Ölabscheidevorrichtung zu schaffen, bei der die oben beschriebenen Nachteile behoben sind.
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Erfindungsgemäß wird zur Lösung der Aufgabe eine Ölabscheidevorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen, den Figuren und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
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Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird vorgeschlagen, dass an der Ölabscheidevorrichtung eine aktive Bremseinrichtung vorgesehen ist, welche das Antriebsrad bei einer Aktivierung bremst. Durch die vorgeschlagene Bremseinrichtung können die Drehbewegung des Antriebsrades und damit der Antrieb des Wirbels und die dadurch hervorgerufenen Zentrifugalkräfte in dem Gasstrom aktiv gebremst und verringert werden. Damit kann der Ölabscheidegrad nicht nur durch die Aktivierung der Antriebseinrichtung aktiv vergrößert, sondern zusätzlich durch die Aktvierung der Bremseinrichtung auch aktiv verringert werden, und es ist möglich, den erzeugten Wirbel und den dadurch erzeugten Ölabscheidegrad bzw. die dadurch erzeugten Druckverhältnisse im Wege einer Regelung auf ein Optimum zu regeln.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die aktive Bremseinrichtung aktiviert wird, wenn die Antriebseinrichtung deaktiviert ist, oder wenn die Drehzahl des Antriebsrades einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet. Dadurch kann das Antriebsrad nach dem Abschalten der Antriebseinrichtung aktiv bis zum Stillstand abgebremst werden, so dass der unerwünschte Nachlauf des Antriebsrades vermieden oder zumindest reduziert werden kann. Ferner können Spitzen der Drehzahlen des Antriebsrades reduziert werden, indem die Bremseinrichtung bei einem Überschreiten einer vorbestimmten Grenzdrehzahl aktiviert wird und dann gegen die Antriebseinrichtung arbeitet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die aktive Bremseinrichtung und die Antriebseinrichtung durch eine einzige, von einem Antriebsmodus in einen Bremsmodus umschaltbare Einrichtung gebildet sind. Die Antriebseinrichtung muss dafür zum Antrieb des Antriebsrades in beide Drehrichtungen ausgebildet sein, wobei die eine Drehrichtung dem Antrieb des Antriebsrades und die entgegengesetzte Drehrichtung dem Bremsen des Antriebsrades entspricht. Eine solche Antriebseinrichtung kann z.B. ein besonders einfach zu steuernder Elektromotor sein, welcher durch Umpolung der Pole in der Drehrichtung umschaltbar ist. Der Elektromotor arbeitet damit im Antriebsmodus als Motor und im Bremsmodus als Generator.
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Weitere mögliche Ausführungsformen der Bremseinrichtung wären z.B. auch eine steuerbare Wirbelstrombremse oder eine steuerbare oder eine einfache nichtsteuerbare Reibungsbremse. Eine Steuerbarkeit der Reibungsbremse hat den Vorteil, dass die Bremskraft gesteuert werden kann, wodurch der Abscheidegrad aktiv beeinflusst werden kann. Eine nichtsteuerbare Reibungsbremse kann dagegen konstruktiv einfacher ausgebildet sein. In diesem Fall wäre die Bremskraft dann z.B. von der Drehzahl abhängig oder proportional zu der Drehzahl wie z.B. bei einer Fliehkraftbremse.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Bremseinrichtung bei einer Aktivierung eine ansteigende Bremskraft ausübt. Das Antriebsrad wird kann dadurch möglichst sanft angebremst werden, wodurch die Verzögerungskräfte und die Bauteilspannungen reduziert werden können.
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Die Antriebseinrichtung und das Antriebsrad sind bevorzugt über eine Antriebswelle miteinander verbunden, wobei die Antriebswelle bevorzugt zwischen der Antriebseinrichtung und der Bremseinrichtung gelagert ist und/oder auf der Antriebswelle eine Bremsfläche vorgesehen ist, welche zwischen dem Antriebsrad und einem Lager der Antriebswelle angeordnet ist. Durch die vorgeschlagenen Lösungen kann das Antriebsrad besonders einfach angetrieben und gebremst werden, wobei die Lagerung der Antriebswelle und die auf die Antriebswelle einwirkenden Kräfteverhältnisse aufgrund der Anordnung der Bremsfläche und der vorgeschlagenen Lagerung besonders günstig gestaltet werden können.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine aktive Ölabscheidevorrichtung mit einer in einem Antriebsmodus und einem Bremsmodus betreibbaren Antriebseinrichtung; und
- 2 eine aktive Ölabscheidevorrichtung mit einer Bremseinrichtung in Form einer Wirbelstrombremse; und
- 3 eine aktive Ölabscheidevorrichtung mit einer Bremseinrichtung in Form einer Reibungsbremse in einer ersten Ausführungsform; und
- 4 eine aktive Ölabscheidevorrichtung mit einer Bremseinrichtung in Form einer Reibungsbremse in einer zweiten Ausführungsform.
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In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen, aktiven Ölabscheidevorrichtung 1 mit einer Antriebseinrichtung 2 und einem in einem Gehäuse 4 angeordneten Antriebsrad 3, wie z.B. einem Schaufelrad oder auch einem Paket aus mehreren Tellern mit dazwischen angeordneten Durchströmkanälen, zu erkennen. Das Antriebsrad 3 ist über eine Antriebswelle 5 mit der Antriebseinrichtung 2 verbunden und über diese in einem ersten Lager 6 und einem zweiten Lager 7 einer übergeordneten Baugruppe wie z.B. einer Ventilhaube oder einem zusätzlichen Gehäuse drehbar gelagert. Das Antriebsrad 3 wird bei einer Aktivierung der Antriebseinrichtung 2 zu einer Drehbewegung in Pfeilrichtung A angetrieben.
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Das Gehäuse 4 weist ferner eine radial innere Zuströmöffnung 8 und zwei radial äußere Abströmöffnungen 9 und 15 auf. Das aus einem nicht dargestellten Kurbelgehäuse abgeführte Blow-by-Gas wird in einem Gasstrom 14 durch die Zuströmöffnung 8 in das Gehäuse 4 und das darin drehbar gelagerte Antriebsrad 3 eingeführt. Aufgrund der Drehbewegung des Antriebsrades 3 wird der Gasstrom 14 zu einem Wirbel in einer radial äußeren Wirbelkammer 10 angetrieben, wodurch wiederum die in dem Blow-by-Gas enthaltenen Ölpartikel bedingt durch die darin wirkenden Zentrifugalkräfte radial nach außen geschleudert und abgeschieden werden. Die abgeschiedenen Ölpartikel werden in einer Abströmung 16 durch die in der Darstellung der 1 untere Abströmöffnung 15 in den Ölsumpf der Brennkraftmaschine zurückgeführt, während der gereinigte Gasstrom 17 durch die obere Abströmöffnung 9 zur weiteren Verbrennung in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zurückgeführt wird.
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Aufgrund der Antriebseinrichtung 2 handelt es sich hier um eine aktive Ölabscheideeinrichtung 1, welche die Ölpartikel in den Blow-by-Gasen unabhängig von der Zuströmgeschwindigkeit der Blow-by-Gase abscheidet, da die Blow-by-Gase in der Ölabscheidevorrichtung 1 aktiv zu dem Wirbel beschleunigt werden.
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Die Antriebseinrichtung 2 ist hier durch einen Elektromotor gebildet, welcher das Antriebsrad 3 zum Abscheiden der Ölpartikel in Pfeilrichtung A antreibt. Nach dem Deaktivieren der Antriebseinrichtung 2 beim Abschalten der Brennkraftmaschine oder aufgrund eines Regelvorganges läuft das Antriebsrad 3 aufgrund seiner Trägheit noch nach. Dieses Nachlaufen kann zumindest verkürzt werden, in dem die Antriebseinrichtung 2 durch eine Umpolung aus dem Antriebsmodus in den Bremsmodus umgeschaltet wird und ein Drehfeld in Pfeilrichtung B in entgegen gesetzter Richtung auf die Antriebswelle 5 und das Antriebsrad 3 ausgeübt wird. Die Antriebseinrichtung 2 wird damit gleichzeitig als Bremseinrichtung 11 verwendet, so dass die erfindungsgemäße Lösung ohne Mehrkosten verwirklicht werden kann. Ferner ist es in diesem Fall von Vorteil, wenn als Antriebseinrichtung 2 ein Elektromotor verwendet wird, da Elektromotoren sehr einfach zu steuern sind und das Bremsmoment genauso wie das Antriebsmoment berührungslos von dem Stator auf den Rotor übertragen. Damit kann die Drehrichtungsumkehr ohne ein zwischengeschaltetes Getriebe allein durch eine Umpolung des Elektromotors verwirklicht werden. Ferner kann durch die berührungslose Drehmomentübertragung ein gewisser Schlupf kompensiert werden, und das Bremsmoment kann auch bei einer Relativdrehbewegung der beiden zueinander drehenden Teile aufgebracht werden.
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In der 2 ist eine Alternativlösung zu erkennen, bei der die Bremseinrichtung 11 durch eine ebenfalls berührungslos wirkende Wirbelstrombremse 14 verwirklicht ist. In den 3 und 4 sind weitere Alternativlösungen mit jeweils einer durch eine Reibungsbremse 13 gebildeten Bremseinrichtung 11 zu erkennen. Allen diesen Lösungen ist es gemein, dass die Bremseinrichtung 11 und die Antriebseinrichtung 2 durch voneinander getrennte Einrichtungen gebildet sind, so dass sie unabhängig voneinander und sofern dies erforderlich ist, sogar zeitgleich aktiviert werden können. Die Bremseinrichtungen 11 sind jeweils zwischen dem ersten Lager 6 und dem Gehäuse 4 der Ölabscheidevorrichtung 1 angeordnet. Ferner ist die Antriebswelle 5 zwischen der Antriebseinrichtung 2 und der Bremseinrichtung 11 in dem ersten Lager 6 gelagert. Dadurch kann ein kompakter Aufbau der Ölabscheidevorrichtung 1 mit einer guten Lagerung und Spannungsverteilung und mit möglichst geringen Spannungsspitzen in der Antriebswelle 5 verwirklicht werden. Beiden Bremseinrichtungen 11 ist es ferner gemein, dass auf der Antriebswelle 5 jeweils ein Bremskörper 24,25 mit einer Bremsfläche 18 vorgesehen ist, auf welche die Bremseinrichtung 11 einwirkt.
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Bei der in der 2 zu erkennenden Wirbelstrombremse 14 ist der Bremskörper 25 eine Bremsscheibe mit seitlichen, axial gerichteten Bremsflächen 18, auf welche die Wirbelstrombremse 14 mit ihrem Magnetfeld gerichtet ist. Die Antriebswelle 5 und die Ölabscheidevorrichtung 1 können dadurch abgebremst werden, ohne dass in die Antriebswelle 5 Radialkräfte eingebracht werden. Sofern die Wirbelstrombremse 14 beidseitig mit zwei entgegengesetzten, spiegelsymmetrischen Magnetfeldern auf die Bremsscheibe einwirkt, können außerdem die auf die Antriebswelle 5 ausgeübten Axialkräfte reduziert und im Idealfall auf Null ausgeglichen werden, indem sich die Axialkräfte gegenseitig aufheben.
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Bei den in den 3 und 4 zu erkennenden Ausführungsbeispielen wirkt die Reibungsbremse 13 auf einen zylindrischen Bremskörper 24 mit einer radial äußeren, ringförmigen Bremsfläche 18. Die Reibungsbremse 13 weist zwei oder mehrere Bremsklötze 22 auf, welche in dem Ausführungsbeispiel der 4 in eine radial äußere Nichtbremsstellung und in dem Ausführungsbeispiel der 3 in eine radial innere Bremsstellung federbelastet sind und bei einer Aktivierung der Bremseinrichtung 13 mittels eines oder mehrere Hubmagnete 21 gegen die Kraft einer Feder 20 zur Anlage an den Bremskörper 24 oder aus der Anlagestellung an dem Bremskörper 24 bringbar sind und dadurch die Antriebswelle 5 und das Antriebsrad 3 drehrichtungsunabhängig bremsen oder freigeben.
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In dem Ausführungsbeispiel der 3 sind die Bremsklötze 22 in einem Gehäuse 19 verschieblich geführt und die Federn 20 stützen sich auf den den Hubmagneten 21 zugewandten Seiten an den äußeren Stirnseiten des Gehäuses 19 und einem über jeweils eine Stange mit einem der Bremsklötze 22 verbundenen Betätigungskopf 23 ab. Bei dem in der 4 zu erkennenden Ausführungsbeispiel sind die Federn 20 in den Gehäusen 19 angeordnet und zwischen den Bremsklötzen 22 und der inneren Stirnseiten der Gehäuse 19 eingespannt.
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Bei einer Aktivierung der Bremseinrichtung 11 üben die Hubmagnete 21 jeweils eine Druckkraft über die Betätigungsköpfe 23 auf die Bremsklötze 22 aus, und verschieben sie dadurch in Richtung der Bremskörper 24,25. Als Hubmagnete 21 kommen z.B. mechanische oder elektromechanische Linearaktuatoren wie z.B. Piezostacks in Frage. Die Bremsklötze 22 gelangen dann zur Anlage an dem Bremskörper 24 und bremsen dadurch die Antriebswelle 5 und das Antriebsrad 3.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007046235 A1 [0005]
- DE 102007058059 A1 [0005]
