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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ölabscheidevorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 eine Ölabscheidung in einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 14.
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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 zurückgeführt 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 Strömungsgeschwindigkeit 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 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 bei sehr niedrigen Drehzahlen 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, aktiv angetriebene Zentrifugalabscheider zur Ölabscheidung zu verwenden, in denen die Ölpartikel aus den zurückgeführten Blow-by-Gasen durch Spalte zwischen drehbar angetriebenen Tellern, sogenannte Tellerseparatoren, radial nach außen geschleudert werden.
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Ferner ist es wünschenswert, die Kolbenringe in modernen Brennkraftmaschinen mit Hubkolben 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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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Ölabscheidevorrichtung und eine Ölabscheidung in einer Brennkraftmaschine zu schaffen, mit der weiter verbesserte Abscheidegrade verwirklicht werden können. Dabei soll die Ölabscheidevorrichtung insbesondere auch unter ungünstigen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine hohe Abscheidegrade ermöglichen, bzw. die verbesserten Abscheidegrade sollen möglichst unabhängig von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine sein.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Ölabscheidevorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und eine Ölabscheidung mit den Merkmalen von Anspruch 14 vorgeschlagen. Weitere bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
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Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird nach Anspruch 1 zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, dass der Gasstrom bei einer Aktivierung der Antriebseinrichtung durch die Drehung des Schaufelrades zu einem um wenigstens zwei Rotationsachsen rotierenden Wirbel angetrieben wird.
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Der Vorteil der vorgeschlagenen Lösung ist darin zu sehen, dass die Wirbelgeschwindigkeit des Gasstromes in dem um die zwei Rotationsachsen rotierenden Wirbel erster höher sind und durch die Drehzahl des Schaufelrades verändert werden kann, wodurch der Abscheidegrad der Ölabscheidevorrichtung vergrößert und durch eine Steuerung der die Antriebseinrichtung aktiv beeinflusst werden kann. Da die Abscheidung dabei durch eine zirkulierende Wirbelströmung bewirkt wird, können auch kleinste Ölpartikel mit einem Durchmesser von weniger als 1 µm abgeschieden werden. Dabei kann die Drehzahl des Schaufelrades durch eine Ansteuerung der Antriebseinrichtung verändert und damit die Wirbelgeschwindigkeit des Gasstromes in dem Wirbel aktiv bewusst vergrößert oder verkleinert werden, was insbesondere unabhängig von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine vorgenommen werden kann. Der Abscheidegrad kann damit durch eine Drehzahlregelung der Antriebseinrichtung bzw. des Schaufelrades aktiv gesteuert werden. Ferner wird dem Gasstrom durch den Antrieb über das Schaufelrad der Antriebseinrichtung aktiv Energie zugeführt, so dass der Gasstrom auch aus dem Kurbelgehäuse abgesaugt werden kann. Dadurch kann der Druck in dem Kurbelgehäuse aktiv gesenkt werden, sofern dies für den Abscheidegrad der Blow-by-Gase und den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine von Vorteil ist. Ferner wird durch die Zuführung der Energie in den Gasstrom die Strömungsgeschwindigkeit in dem Gasstrom und der Druck in dem Gasstrom am Austritt aus der Antriebseinrichtung erhöht. Dieser höhere Druck bzw. die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit können z.B. zu einer aktiven Abführung des abgeschiedenen Öls und insbesondere einer von der Schwerkraft unabhängigen Abführung des abgeschiedenen Öls genutzt werden. Damit kann die gesamte Ölabscheidevorrichtung unabhängig von der Abführung des abgeschiedenen Öls an einer für die Abscheidung der Ölpartikel optimierten Stelle des Kurbelgehäuses oder der Zylinderkopfhaube angeordnet werden. Dabei ist die Verwendung eines Schaufelrades in der Antriebseinrichtung von besonderer Bedeutung, da der Gasstrom durch die Schaufel praktisch mitgerissen oder bei einer Reduzierung der Drehzahl innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne wieder abgebremst wird. Damit ist eine sehr direkte Regelung der Wirbelgeschwindigkeit und des dadurch bedingten Abscheidegrades der Ölpartikel aus dem Gasstrom möglich. Alternativ kann aber auch eine Antriebseinrichtung mit einer konstanten Drehzahl des Schaufelrades verwendet werden, wobei die Drehzahl dann zweckmäßigerweise auf den maximalen Volumenstrom ausgelegt ist. Der eventuell zu viel erzeugte Unterdruck könnte in diesem Fall über ein Unterdruckbegrenzungsventil abgeregelt werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass das Schaufelrad eine Vielzahl von Schaufeln mit dazwischen angeordneten Strömungskanälen aufweist, und die Schaufeln derart geformt sind, dass der Gasstrom durch den Eintritt in die Strömungskanäle umgelenkt und beschleunigt wird. Durch die Umlenkung des Gasstromes kann einerseits der Strömung mehr Energie zugeführt werden, und es ist andererseits möglich, dem Gasstrom durch die Umlenkung die Wirbelbewegung aufzuzwingen. Die Schaufeln können dabei gekrümmt sein und/oder entlang ihrer Fläche unterschiedliche Dicken aufweisen, wodurch die Form der Strömungskanäle und der dadurch erzwungene Strömungsverlauf des Gasstromes definiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Antriebseinrichtung durch eine Seitenkanalpumpe oder eine Peripheralpumpe gebildet ist. In Seitenkanalpumpen und Peripheralpumpen wird ein Wirbel in einem Ringraum erzeugt, welcher seitlich und/oder radial außen an das Schaufelrad angrenzt. Der Wirbel in dem Ringraum wird durch einen Impulsaustausch zwischen der Strömung im Schaufelrad und der Strömung in dem Ringraum angetrieben. Dabei wird die Strömung in den Strömungskanälen des Schaufelrades aufgrund von auf die Strömung einwirkenden Zentrifugalkräften radial nach außen gedrängt, so dass der Gasstrom dadurch radial außen aus dem Schaufelrad austritt, dann in dem Ringraum radial wieder nach innen strömt und schließlich an einer radial inneren Stelle in das Schaufelrad wieder zurückströmt. Dadurch entsteht ein Wirbel oder eine Rezirkulationsströmung in einem Rotationstorus um eine ringförmige Mittenachse, wobei die Strömung um die ringförmige Mittenachse rotiert und gleichzeitig in Umfangsrichtung umläuft und in einer Zu- und einer Abströmöffnung zumindest in einer Komponente in Axialrichtung zu- oder abströmt. Demnach handelt es sich um zwei sich überlagernde Wirbel mit einem ersten um die Drehachse des Schaufelrades rotierenden koaxialen Wirbel und einem zweiten um eine koaxial zu der Drehachse ausgerichtete ringförmige Mittenachse rotierenden zweiten Wirbel. Insgesamt entsteht dadurch eine schraubenförmige Ringströmung um die Drehachse des Schaufelrades. Beide Wirbel tragen zu der Abscheidung der Ölpartikel bei, wobei durch die Überlagerung des ersten Wirbels und des zweiten Wirbels der Abscheidegrad weiter erhöht werden kann und insbesondere Kleinstpartikel mit einem Durchmesser von weniger als 1 µm abgeschieden werden können. Die Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung der Pumpe bzw. des Abscheiders sind durch eine Trennwand oder auch Unterbrecher voneinander getrennt, welche bzw. welcher den Ringkanal in Umfangsrichtung an einer Stelle verschließt bzw. unterbricht. Bei wachsender Druckdifferenz zwischen dem Auslass und dem Einlass wird die Strömung in den Ringkanal verzögert, d.h. die Wirbelgeschwindigkeit des ersten Wirbels um die Drehachse des Schaufelrades wird verringert. Dadurch wird gleichzeitig die Anzahl der Umläufe in dem zweiten Wirbel der Strömung zwischen dem Einlass und dem Auslass erhöht und die Strömung wird in einer erhöhten Anzahl von Umläufen durch das Schaufelrad beschleunigt, wodurch die Wirbelgeschwindigkeit in dem zweiten Wirbel erhöht wird. Damit kann der Abscheidegrad auch bei einem verringerten Volumenstrom des zurückgeführten Blow-by-Gases erhöht werden.
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Damit kann eine Steuerung des Abscheidegrades indirekt dadurch verwirklicht werden, indem in der Zu- oder Abströmung des Gasstromes zu der Antriebseinrichtung eine Einrichtung zur Veränderung des Druckes vorgesehen ist. Eine solche Einrichtung kann z.B. durch eine Drossel oder Düse mit einem veränderbaren Strömungsquerschnitt verwirklicht sein. Alternativ kann die Druckabsenkung auch durch einen vorgelagerten passiven Abscheider bewirkt werden. Durch das Absenken der Gasdichte kann wiederum die Dichtedifferenz des Gases zu der Dichte der abzuscheidenden Ölpartikel und damit der Abscheidegrad erhöht werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass der Gasstrom beim Eintritt und/oder Austritt aus der Antriebseinrichtung umgelenkt wird. Durch die Umlenkung wird der Effekt der Wandabscheidung der Ölpartikel aus dem Gasstrom weiter verstärkt. Ferner können dadurch in dem Blow-by-Gasstrom bewusst weitere Radialkräfte erzeugt werden, welche den Abscheidegrad weiter erhöhen. Ferner können die Umlenkungen bewusst als Drossel oder Düse ausgelegt werden, durch welche die Druckverhältnisse in dem Wirbel gezielt eingestellt werden können. Dabei kann durch eine Androsselung des Gasstromes in der Zuströmung der Wirkungsgrad der Antriebseinrichtung verändert werden, da dadurch die Durchflusszahl und die Druckzahl der Antriebseinrichtung verändert werden können.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Antriebseinrichtung in Abhängigkeit von dem Innendruck der Brennkraftmaschine steuerbar ist. Wie bereits eingangs beschrieben wurde, ist es erstrebenswert, den Druck in dem Kurbelgehäuse innerhalb vorbestimmter Grenzwerte zu halten, damit die Entstehung der Blow-by-Gase und deren Beladung mit Ölpartikeln gewisse Grenzwerte nicht übersteigen und die Brennkraftmaschine im Allgemeinen mit möglichst verbrauchs- und abgasoptimierten Betriebsbedingungen betrieben werden kann. Dies kann in diesem Fall dadurch begünstigt werden, indem die Antriebseinrichtung in Abhängigkeit von dem Innendruck der Brennkraftmaschine, in diesem Fall dem Innendruck in dem Kurbelgehäuse angesteuert wird und der Druck in dem Kurbelgehäuse durch den Betrieb der Antriebseinrichtung aktiv verändert werden kann. Die Antriebseinrichtung wird damit neben der Abscheidung der Ölpartikel aus den Blow-by-Gasen zusätzlich zur Drucksteuerung in dem Kurbelgehäuse verwendet.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Antriebseinrichtung eine Zuströmöffnung und eine Abströmöffnung aufweist. Durch die Zuströmöffnung wird der Gasstrom dem Schaufelrad unter definierten Strömungsbedingungen zugeführt und über die Abströmöffnung wieder abgeführt. Dabei wird der Gasstrom insbesondere in definierten Richtungen zugeführt und wieder abgeführt, so dass der Wirbel unter definierten Bedingungen erzeugt wird und die Abscheidung der Ölpartikel dadurch herbeigeführt wird. Ferner können durch die Querschnittsflächen der Zuströmöffnung und der Abströmöffnung definierte Strömungsgeschwindigkeiten unter den anzunehmenden Betriebsparametern eingestellt werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass in der Zu- und/oder Abströmöffnung zu der Antriebseinrichtung ein passiver Ölabscheider vorgesehen ist. Durch den passiven Ölabscheider können die Ölpartikel in einer Vorstufe oder auch in einer Nachbehandlung abgeschieden werden, so dass entweder in dem durch das Schaufelrad der Ölabscheidevorrichtung erzeugten Wirbel nur noch ein Restanteil der Ölpartikel abgeschieden werden muss oder die bereits in dem Wirbel des Schaufelrades abgeschiedenen Ölpartikel in dem passiven Ölabscheider letztendlich abgeführt werden, ohne dass sich diese dem Gasstrom wieder beimengen können.
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Damit der Gasstrom mit den darin gehaltenen Ölpartikeln in der Zuströmung von dem Gasstrom der Abströmung mit den bereits abgeschiedenen Ölpartikeln getrennt ist und sich nicht wieder mit diesem vermischt, sind die Zu- und die Abströmöffnung vorzugsweise durch eine Trennwand voneinander getrennt. Der Wirbel wird durch die Trennwand praktisch in Umfangsrichtung getrennt. Der Gasstrom wird in dem Wirbel von der Zuströmöffnung in Umfangsrichtung bis zu der Abströmöffnung in dem Ringraum geführt und schließlich durch die Trennwand in die Abströmöffnung gedrängt. Die Trennwand oder auch der Unterbrecher wirkt hier als Prallwand und bewirkt durch die Umlenkung eine zusätzliche Abscheidung der Ölpartikel.
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Ferner kann der Gasstrom bevorzugt über eine Kurzschlussleitung von der Abströmöffnung in die Zuströmöffnung der Antriebseinrichtung zurückgeführt werden, so dass der Gasstrom zumindest zu einem Teil mehrfach durch den durch das Schaufelrad angetriebenen Wirbel geführt wird. Dadurch kann der Abscheidegrad weiter erhöht werden. Die Kurzschlussleitung kann entweder durch eine gesondert dafür vorgesehene Strömungsleitung gebildet sein. Alternativ kann die Kurzschlussleitung auch dadurch verwirklicht sein, indem die Trennwand bzw. der Unterbrecher zwischen der Zuströmöffnung und der Abströmöffnung weggelassen wird oder so geformt wird, dass ein Teil des Gasstromes von der Abströmöffnung wieder zurück in die Zuströmöffnung strömen kann, wobei hierzu die Druckdifferenz in dem Gasstrom zwischen der Abströmung und der Zuströmung genutzt werden kann. Ferner kann in der Kurzschlussleitung ein Rückschlagventil vorgesehen sein, welches eine direkte Strömung des Gasstromes aus der Zuströmöffnung in die Abströmöffnung, also ein Vorbeiströmen des Gasstromes an dem Abscheider verhindert.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass mehrere Schaufelräder vorgesehen sind, welche den Wirbel antreiben oder welche mehrere Wirbel antreiben, durch welche der Gasstrom sukzessive geführt wird. Durch die vorgeschlagene Weiterentwicklung kann die Intensität des Wirbels und damit der Abscheidegrad weiter gesteigert werden.
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Die vorgeschlagene Ölabscheidevorrichtung eignet sich aufgrund ihres hohen Abscheidegrades und insbesondere aufgrund der Eignung zur Abscheidung kleinster Ölpartikel bevorzugt als Feinölabscheider, wobei der Abscheidegrad insbesondere dadurch optimiert und maximiert werden kann, indem in Bezug zu der Strömungsrichtung des Gasstromes stromaufwärts zusätzlich ein Grobölabscheider vorgesehen ist, welcher in einem ersten Abscheidevorgang zuerst die groben Ölpartikel abscheidet. Nachfolgend können die noch vorhandenen feineren Ölpartikel dann in der erfindungsgemäßen Ölabscheidevorrichtung abgeschieden werden, wobei der Volumenstrom des abgeschiedenen Öls in der Ölabscheidevorrichtung dadurch erheblich verringert werden kann. Ferner kann die Ölabscheidevorrichtung dadurch verbesswert auf die feineren abzuscheidenden Ölpartikel ausgelegt werden. Dabei können dadurch aufgrund der geringeren Menge und des geringeren Volumens an Ölpartikeln in der Ölabscheidevorrichtung höhere Wirbelgeschwindigkeiten verwirklicht werden, wodurch der Abscheidegrad nochmals erhöht werden kann. Ferner kann die Ölabscheidevorrichtung selbst dadurch kleiner ausgelegt werden.
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Dabei ist der Grobölabscheider bevorzugt als ein passiver Abscheider ausgebildet. Passive Abscheider können sehr einfach durch eine geometrische Formgebung und eine dadurch erzwungene Strömungsführung kostengünstig zum Abscheiden der gröberen Ölpartikel ausgelegt werden, wobei Zyklonabscheider, Labyrinthabscheider, Prallwandabscheider oder dergleichen verwendet werden können.
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Weiter wird gemäß Anspruch 14 eine Ölabscheidung in einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, bei der eine Ölabscheidevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 vorgesehen ist, und weiter eine an eine Abströmleitung der Ölabscheidevorrichtung strömungstechnisch angeschlossene Rückströmleitung vorgesehen ist, über welche ein Teil des aus der Wirbelkammer ausgetretenen Gasstromes in eine Zuströmleitung der Ölabscheidevorrichtung zurückgeführt wird. Durch die vorgeschlagene Lösung kann eine Ölabscheidung mit einem weiter vergrößerten Abscheidegrad verwirklicht werden, indem ein Teil des Gasstromes zweifach oder mehrfach durch die Ölabscheidevorrichtung geführt wird. Dadurch kann der Gesamtwirkungsgrad der Ölabscheidung weiter vergrößert werden, indem der Gasstrom die Ölabscheidevorrichtung zumindest partiell mehrfach durchläuft. Ferner kann dadurch die volumenspezifische Beladung des Gasstromes mit Ölpartikeln in der Zuströmleitung der Ölabscheidevorrichtung reduziert werden, der Gasstrom wird durch die Rückführung in der Zuströmleitung praktisch verdünnt. Durch diese Reduzierung der volumenspezifischen Beladung des Gasstromes mit Ölpartikeln kann die Ölabscheidevorrichtung gezielt in ihrem positiven Wirkungsgrad bei der Feinabscheidung verbessert ausgenutzt werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass in der Rückströmleitung ein Rückschlagventil vorgesehen ist. Durch das Rückschlagventil wird ein Regelglied in der Rückführung vorgesehen, welche die Rückführung des Teils des Gasstromes in Abhängigkeit von der wirkenden statischen Druckdifferenz zwischen der Abströmleitung und der Zuströmleitung regelt. Außerdem wird durch das Rückschlagventil verhindert, dass der Gasstrom durch die Rückströmleitung an der Ölabscheidevorrichtung vorbeiströmt, ohne diese zu durchlaufen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt
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1 und 2: eine erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel mit jeweils einem Druckregelventil in der Zuströmung oder in der Abströmung; und
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3 und 4: eine erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel mit jeweils einem Druckregelventil in der Zuströmung oder in der Abströmung; und
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5 und 6: eine Ölabscheidevorrichtung mit mehreren Schaufelrädern mit jeweils einem Druckregelventil in der Zuströmung oder in der Abströmung; und
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7: eine Ölabscheidevorrichtung mit einer Kurzschlussleitung in einer schematischen Darstellung; und
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8: eine Seitenkanalpumpe; und
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9: eine Schnittdarstellung durch ein Schaufelrad einer Peripheralpumpe und durch ein Schaufelrad einer Seitenkanalpumpe; und
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10 bis 12: verschiedene Brennkraftmaschinen mit einer erfindungsgemäßen Ölabscheidevorrichtung und einem zusätzlichen Grobölabscheider.
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In der 1 und 2 ist jeweils eine Ölabscheidevorrichtung 100 zu erkennen, welche eine Eintrittsöffnung 15 und eine Austrittsöffnung 14 aufweisen. Die Ölabscheidevorrichtung 100 ist strömungstechnisch mit der Eintrittsöffnung 15 an ein nicht dargestelltes Kurbelgehäuse einer ebenfalls nicht dargestellten Brennkraftmaschine angeschlossen und weist eine Austrittsöffnung 14 auf, die ihrerseits strömungstechnisch an einen nicht dargestellten Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Ferner weist die Ölabscheidevorrichtung 100 eine Abführöffnung 23 auf, welche an ein nicht dargestelltes Ölreservoir bzw. Ölkreislauf angeschlossen ist.
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Die Ölabscheidevorrichtung 100 umfasst als Grundbauteil eine Antriebseinrichtung 4 mit einem Elektromotor 13 und einem von dem Elektromotor 13 rotatorisch antreibbaren Schaufelrad 5. Das Schaufelrad 5 ist in einem Gehäuse 16 drehbar gelagert, welches so geformt ist, dass radial außen und seitlich des Schaufelrades 5 eine ringförmige Wirbelkammer 3 vorhanden ist. Das Gehäuse 16 weist ferner eine oder mehrere in die Wirbelkammer 3 mündende Zuströmöffnungen 9 und eine oder mehrere Abströmöffnungen 10 auf. Das Schaufelrad 5 ist in dieser Darstellung ein Laufrad einer Peripheralpumpe und entspricht strömungstechnisch dem in der linken Darstellung der 9 gezeigten Schaufelrad 5.
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Der Ölabscheidevorrichtung 100 wird durch die Eintrittsöffnung 15 ein Gasstrom 1 aus dem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine zugeführt, der mit Ölpartikeln beladen ist und auch als Blow-by-Gas bezeichnet wird. Der Strömungsweg des Gasstromes 1 in der Ölabscheidevorrichtung 100 ist durch Pfeile gekennzeichnet. Der Gasstrom 1 strömt zunächst an der Zuströmseite durch eine Ventileinrichtung 8 bzw. durch ein Druckregelventil in die Antriebseinrichtung 4 ein. Dabei strömt der Gasstrom 1 durch die Zuströmöffnungen 9 in die Wirbelkammer 3 der Antriebseinrichtung 4 ein, in welcher der Gasstrom 1 von dem Schaufelrad 5 zu einem Wirbel 2 angetrieben wird. Die Drehrichtung und die physikalische Ursache des Wirbels 2 werden später noch näher beschrieben. Nach dem Durchströmen der Wirbelkammer 3 strömt der Gasstrom 1 weiter durch Abströmöffnungen 10 aus der Antriebseinrichtung 4 aus und durch Austrittsöffnungen 14 des Gehäuses 16 weiter in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine bzw. das abgeschiedene Öl 22 strömt weiter durch die Abführöffnung 23 in das Ölreservoir und den Ölkreislauf. Die Ölabscheidevorrichtung 100 in der 2 entspricht der Ölabscheidevorrichtung 100 der 1 mit dem Unterschied, dass die Ventileinrichtung 8 hier in der Abströmung angeordnet ist.
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In den Ausführungsbeispielen der 3 und 4 sind in dem Gehäuse 16 zusätzlich zwei Teilkammern 17 und 18 vorgesehen, welche strömungstechnisch an die Zuströmöffnung 9 bzw. die Abströmöffnung 10 angeschlossen sind. Der Gasstrom 1 tritt in diesem Fall zuerst in die Teilkammer 17 ein, bevor er durch die Zuströmöffnung 9 in die Wirbelkammer 3 eintritt. In umgekehrter Reihenfolge tritt der Gasstrom 1 aus der Abströmöffnung 10 zunächst in die Teilkammer 18 aus, bevor er durch die Austrittsöffnung 14 aus dem Gehäuse 16 austritt. Die Teilkammern 17 und 18 können z.B. als Ringabschnitte ausgebildet sein und dienen dazu, die Zuströmöffnung 9 und die Abströmöffnung 10 jeweils strömungstechnisch mit der Eintrittsöffnung 15 und der Austrittsöffnung 14 zu verbinden. Ferner können die Teilkammern 17 und 18 auch miteinander verbunden sein und dadurch eine Rezirkulation des Gasstromes 1 von der Abströmseite zu der Zuströmseite ermöglichen.
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Dabei sind die Ölpartikel bereits aus dem Gasstrom 1 abgeschieden, wenn er durch die Austrittsöffnung 14 austritt. Die Ölpartikel 22 werden wiederum gesondert durch eine Abführöffnung 23 dem Ölreservoir zugeführt, während der gereinigte Gasstrom 1 durch die Austrittsöffnung 14 in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine zurückgeführt wird.
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In den 5 und 6 ist eine Weiterentwicklung der Ölabscheidevorrichtung 100 zu erkennen, bei der die Antriebseinrichtung 4 mehrere auf einer Welle drehfest gehaltene Schaufelräder 5 aufweist, welche gemeinsam durch einen Elektromotor 13 angetrieben werden. Der Gasstrom 1 wird in diesem Fall sukzessive durch die Wirbelkammern 3 der Schaufelräder 5 geführt und dabei wiederholt beschleunigt, wodurch ein sehr hoher Abscheidegrad zu erzielen ist.
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In der 7 ist eine Weiterentwicklung der Erfindung zu erkennen, bei welcher in der Ölabscheidevorrichtung 100 zusätzlich ein passiver Abscheider 19 in der Austrittsöffnung 14 vorgesehen ist. Ferner ist eine Kurzschlussleitung 21 vorgesehen, welche die Austrittsöffnung 14 und die Eintrittsöffnung 15 miteinander verbindet, und in der ein Rückschlagventil 20 vorgesehen ist. Der Vorteil des passiven Abscheiders 19 ist darin zu sehen, dass der Abscheidegrad weiter erhöht werden kann, indem der bereits gereinigte Gasstrom 1 einer nochmaligen Abscheidung von Restbestandteilen an letzten Ölpartikeln zugeführt wird. Ferner kann der Druck in dem Gasstrom 1 an der Austrittsseite der Antriebseinrichtung 4 erhöht werden, indem der Gasstrom 1 vor dem passiven Abscheider 19 aufgestaut wird. Dadurch kann die Wirbelgeschwindigkeit in dem Wirbel 2 der Antriebseinrichtung 4 und der Abscheidegrad nach dem nachfolgend noch beschriebenen Strömungseffekt weiter erhöht werden. Ferner wird ein Teil des Gasstromes 1 nach dem Durchströmen des passiven Abscheiders 19 über die Kurzschlussleitung 21 und das Rückschlagventil 20 zurück in die Eintrittsöffnung 15 eingeleitet, so dass ein Teil des Gasstromes 1 mehrfach durch die Antriebseinrichtung 4 geführt wird. Damit ist der durch die Antriebseinrichtung 4 geführte Volumenstrom größer als der Volumenstrom, welcher aus dem Kurbelgehäuse zurück in den Ansaugtrakt geführt wird.
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In der 8 ist ein Schaufelrad 5 einer Seitenkanalpumpe vergrößert dargestellt, welches außerdem in der rechten Darstellung der 9 als Schnittdarstellung zu erkennen ist. In der linken Darstellung der 9 ist ein alternatives Schaufelrad 5 einer Peripheralpumpe dargestellt.
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Das Schaufelrad 5 weist eine Vielzahl von Schaufeln 6 auf, welche einen ringförmigen in einer Radialschnittebene halbkreisförmigen Strömungskanal in eine Vielzahl von einzelnen Strömungskanälen 7 unterteilen. Ferner weist das Gehäuse 16 eine an das Schaufelrad 5 angrenzende Wirbelkammer 3 auf, welche in der Form an den zu erzeugenden Wirbel 2 angepasst ist. In dem Fall der Seitenkanalpumpe in 9 ist die Wirbelkammer 3 in Form eines halben Ringtorus ausgebildet, welcher in einer parallel zur Drehachse des Schaufelrades 5 ausgerichteten und durch die Drehachse verlaufenden Radialschnittebene einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Wirbelkammer 3 und die Summe der Strömungskanäle 7 in dem Schaufelrad 5 ergänzen sich zu einem Ringtorus mit einem Vollkreisquerschnitt, wie in der rechten Darstellung der 9 zu erkennen ist. Das Schaufelrad 5 weist nur an einer Seite Schaufeln 6 und eine gegenüberliegende Wirbelkammer 3 auf, so dass es sich hier um eine einflutige Seitenkanalpumpe mit einem einseitigen Wirbel 2 handelt.
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Die in der linken Darstellung der 9 gezeigte Peripheralpumpe unterscheidet sich dagegen grundsätzlich in der Form des Schaufelrades 5, welches an beiden Seiten Schaufeln 6 mit radial außen offenen Strömungskanälen 7 aufweist. Damit tritt der Gasstrom radial außen aus dem Schaufelrad 5 aus. Ferner handelt es sich dabei um eine doppelflutige Peripheralpumpe mit zwei seitlichen Wirbeln 2. Nach demselben Prinzip kann auch die Seitenkanalpumpe doppelflutig ausgebildet werden, indem an beiden Seiten des Schaufelrades 5 Schaufeln 6 vorgesehen werden.
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Die Wirbel 2 entstehen sowohl bei der Seitenkanalpumpe als auch bei der Peripheralpumpe dadurch, indem der Gasstrom 1 an einer radial inneren Stelle der Strömungskanäle 7 in das Schaufelrad 5 eintritt. In dem Schaufelrad 5 wird der Gasstrom 1 umgelenkt und radial nach außen beschleunigt und erfährt dabei eine Energiezufuhr. Anschließend tritt der Gasstrom 1 an einer radial äußeren Stelle aus den Strömungskanälen 7 in die Wirbelkammer 3 aus und strömt radial einwärts zurück. Der Wirbel 2 hat damit je nach der Form des Schaufelrades 5 eine Kreis- oder Ellipsenform, wie in den Darstellungen der 9 zu erkennen ist. Durch den Austritt des Wirbels 2 aus den Strömungskanälen 7 in die Wirbelkammer 3 gelangt der Wirbel 2 in Wechselwirkung mit dem in der Wirbelkammer 3 befindlichen Gasstrom 1. Da der Wirbel 2 aufgrund der Drehung des Schaufelrades 5 außerdem eine Geschwindigkeit in Umfangsrichtung aufweist, treibt der Wirbel 2 den in der Wirbelkammer 3 strömenden Gasstrom 1 aufgrund der wirkenden Impulskräfte zusätzlich in Umfangsrichtung an, so dass in der Wirbelkammer 3 schließlich ein Wirbel 2 mit einer Umfangskomponente um die Drehachse des Schaufelrades 5 und einer Rotation um eine Rotationsachse senkrecht zur Umfangsrichtung angetrieben wird. Der Wirbel 2 in der Wirbelkammer 3 hat damit praktisch eine Schraubenform und läuft in Umfangsrichtung um. Die in dem Wirbel 2 wirkenden Fliehkräfte werden dann zur Abscheidung der Ölpartikel aus dem Gasstrom 1 genutzt, beide Wirbelkomponenten üben Fliehkräfte auf die Ölpartikel aus. Damit kann die Intensität des Wirbels 2 und damit die auf die Ölpartikel wirkenden Fliehkräfte und folglich auch die Abscheidung durch die Drehzahl des Schaufelrades 5 variiert werden. Ferner ist die Druckdifferenz zwischen dem Austritt und dem Eintritt des Gasstromes 1 in die Wirbelkammer 3 entscheidend für die Umfangsgeschwindigkeit des Wirbels 2. Wird der Druck an der Austrittsseite erhöht, z.B. durch die Ventileinrichtung 8 oder durch die Anordnung des passiven Abscheiders 19, so wird die Umfangsgeschwindigkeit des Wirbels 2 in Drehrichtung des Schaufelrades 5 verringert, der Wirbel 2 wird praktisch gebremst. Dadurch tritt der Wirbel 2 in dem Umfangsabschnitt von der Zuströmöffnung 9 bis zur Abströmöffnung 10 häufiger in die Strömungskanäle 7 ein und wird dadurch häufiger in dem Schaufelrad 5 beschleunigt als dies bei niedrigeren Druckdifferenzen der Fall ist. Dadurch wird die Wirbelgeschwindigkeit des Wirbels 2 in der Ebene senkrecht zu der Umfangsrichtung erhöht, obwohl der Wirbel 2 gleichzeitig in Umfangsrichtung des Schaufelrades 5 abgebremst wird. Damit kann auch bei geringen Volumenströmen des Gasstromes 1 durch eine Erhöhung der Druckdifferenz die Wirbelgeschwindigkeit erhöht und ein höherer Abscheidegrad erzielt werden. Dazu kann entweder in der Zu- oder in der Abströmung des Gasstromes 1 eine steuerbare Ventileinrichtung 8 zur Veränderung des Druckes wie z.B. ein Druckregelventil vorgesehen sein. Neben der Drehzahl des Schaufelrades 5 steht damit mit dem Differenzdruck ein weiterer Regelparameter zur Beeinflussung des Abscheidegrades zur Verfügung. Ferner kann die Ventileinrichtung 8 auch zur Unterdruckbegrenzung in dem Kurbelgehäuse genutzt werden, um die dort vorgesehenen Dichtungen zu schützen.
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Sofern die Wirbelkammer 3 keinen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist, sondern stattdessen sogar Ecken aufweist, kann dies durchaus Vorteile haben, da sich in den Ecken Toträume des Gasstromes 1 ausbilden können, welche die Abscheidung der Ölpartikel begünstigen. Eine Anpassung der Wirbelkammer 3 an die Form des Wirbels 2 ist jedoch insofern vorteilhaft, da dadurch höhere Wirbelgeschwindigkeiten erzielt werden können.
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Im Allgemeinen liefert die Erfindung eine aktive Ölabscheidevorrichtung 100, welche den Vorteil besitzt, dass Energie in den Gasstrom 1 eingebracht werden kann, so dass die Ölabscheidung aus dem Gasstrom 1 unabhängig von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine verwirklicht und insbesondere auch geregelt werden kann. Dabei kann die Ölabscheidung insbesondere unabhängig von dem Innendruck in dem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine verwirklicht werden, da der Druck der Blow-by-Gase in dem Kurbelgehäuse zumindest nicht mehr die alleinige Ursache für die Ausbildung des Gasstromes 1 und des Wirbels 2 ist.
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Als Schaufelräder 5 im Sinne der Erfindung sollen alle Laufräder verstanden werden, welche ausgeprägte Schaufeln 6 oder anderweitige ausgeprägte Formgestaltungen aufweisen, mittels derer der Wirbel 2 angetrieben und/oder aktiv erzeugt werden kann. Dabei ist es wichtig, dass der Gasstrom 1 in dem Wirbel 2 zirkuliert, damit entsprechend hohe Wirbelgeschwindigkeiten erzielt werden können. Aufgrund der Zirkulation des Gasstromes 1 in dem Wirbel läuft der Gasstrom 1 mit einer sehr hohen Geschwindigkeit mehrfach um, was zu einer Abscheidung der Ölpartikel mit sehr kleinem Durchmesser von weniger als 1 µm genutzt wird. Im Gegensatz dazu basiert die Abscheidung der eingangs beschriebenen Zentrifugalabscheidung auf einem einfachen Schleudereffekt, ohne eine Rückführung des Gasstromes zu einem Wirbel. Aus diesem Grunde sind mit der erfindungsgemäßen Ölabscheidevorrichtung erheblich höhere Abscheidegrade von bis zu 100 % insbesondere unabhängig von den herrschenden Druckverhältnissen im Saugrohr bzw. der Eintrittsseite möglich.
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Ferner kann in der Zuströmung zu der Antriebseinrichtung 4 zusätzlich ein passiver Ölabscheider wie z.B. ein Zyklon vorgesehen sein, mit dem vorab gröbere Ölpartikel aus dem Gasstrom 1 abgeschieden werden, so dass in der Antriebseinrichtung 4 nur noch die feineren Ölpartikel aus dem Gasstrom 1 abgeschieden werden müssen. Damit kann die Antriebseinrichtung 4 gezielt zur Abscheidung der feineren Ölpartikel ausgelegt werden. Ferner kann der passive Ölabscheider zusätzlich zur Androsselung des Gasstromes 1 in der Zuströmung also zur Erhöhung der Druckdifferenz genutzt werden. Sofern der passive Ölabscheider so ausgebildet ist, dass sich in Strömungsrichtung stromaufwärts an dem Ölabscheider eine Druckerhöhung durch das Aufstauen des Gasstromes 1 ergibt, kann dieser aber auch in der Abströmung vorgesehen sein, da er hier ebenfalls zur Erhöhung der an der Antriebseinrichtung 4 anliegenden Druckdifferenz genutzt werden kann. Eine Anordnung in der Zuströmung ist jedoch vorzuziehen, da er hier zur Grobabscheidung der Ölpartikel in der Zuströmung genutzt werden kann, und die Eigenschaften der Antriebseinrichtung 4 zur Feinabscheidung dadurch besser ausgenutzt werden können.
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Ferner hat die Peripheralpumpe den Vorteil, dass die dort vorgesehene Wirbelkammer 3 mit dem nicht runden Querschnitt eine vereinfachte Anordnung der Zuströmöffnung 9 und der Abströmöffnung 10 ermöglicht.
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Ferner sind grundsätzlich doppelflutige Seitenkanalpumpen und Peripheralpumpen von Vorteil, da diese geringere Axialbelastungen in den Lagerungen der Schaufelräder 5 aufweisen und einen größeren Volumendurchsatz des Gasstromes 1 bei gleichzeitig nur geringfügig größeren Abmessungen und einer nur geringfügig höheren Leistungsaufnahme der Antriebseinrichtung 4 ermöglichen.
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In der 10 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine mit einem Motorblock 140, einem Luftfilter 110, einem Verdichter 120 und einem Ladeluftkühler 130 und der Luftzuführung zu erkennen. Ferner sind eine erfindungsgemäß ausgebildete Ölabscheidevorrichtung 100 und ein passiver Abscheider 19 vorgesehen. Der passive Abscheider 19 und die Ölabscheidevorrichtung 10 sind ferner jeweils über eine Rückführleitung mit einem darin vorgesehene Rückschlagventil 20 strömungstechnisch mit einem nicht zu erkennen Ölreservoir des Motorblocks 140 verbunden. Die Blow-by-Gase werden aus einem nicht näher dargestellten Kurbelgehäuse des Motorblocks 140 zunächst in den passiven Abscheider 19 eingeleitet, in dem die gröbsten Ölpartikel in einem ersten Schritt abgeschieden und über die Rückführleitung und das darin vorgesehene Rückschlagventil 20 zurück in das Ölreservoir geführt werden. Der bereits vorgereinigte Gasstrom der Blow-by-Gase wird dann weiter in die Ölabscheidevorrichtung 100 eingeführt, wobei der Gasstrom aufgrund der in der Ölabscheidevorrichtung 100 vorgesehenen Antriebseinrichtung 4 hier aktiv angesaugt wird. Die Ölabscheidevorrichtung 100 ist hier als Feinölabscheider ausgelegt und dient der weiteren Abscheidung der noch vorhandenen feineren Ölpartikel, welche dann nach dem Abscheiden über die Abführöffnung 23 bzw. die Rückführleitung und das darin vorgesehene Rückschlagventil 20 zurück in das Ölreservoir abgeführt werden.
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In der 11 ist eine Weiterentwicklung zu erkennen, in welcher zusätzlich eine Rückführung 150 des aus der Ölabscheidevorrichtung 100 ausgetretenen, gereinigten Gasstromes in einer Rückströmleitung zurück in eine Zuströmleitung des Gasstromes zu der Ölabscheidevorrichtung 100 vorgesehen ist. In der Rückführung 150 ist ein weiteres Rückschlagventil 20 vorgesehen. Durch die Rückführung 150 zu des Gasstromes in die Zuströmleitung zu der Ölabscheidevorrichtung 100 kann der Abscheidegrad der Ölabscheidevorrichtung weiter gesteigert werden, und es können insbesondere die feineren Ölpartikel verbessert abgeschieden werden. Alternativ kann die Rückführung 150 aber auch zurück in die Zuführleitung zu dem passiven Abscheider 19 erfolgen, so dass der zurückgeführte Gasstrom nochmals durch den passiven Abscheider 19 geführt wird.
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Die Rückführung der abgeschiedenen Ölpartikel in das Ölreservoir und die Rückführung des Gasstromes nach dem Austreten aus der Ölabscheidevorrichtung 100 kann hier durch die individuelle Auslegung der Rückschlagventile 20 beeinflusst und ausgelegt werden.
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Der passive Abscheider 19 wirkt hier als Grobölabscheider und dient der ersten Vorabscheidung der gröberen Ölpartikel während die Ölabscheidevorrichtung 100 als nachgeschalteter Feinölabscheider dient. Da die Ölpartikel in der Ölabscheidevorrichtung 100 aufgrund des Wirbels um die zwei Rotationsachsen mit einem verbesserten Abscheidegrad insbesondere für die feineren Ölpartikel abgeschieden werden, kann der Gesamtabscheidegrad durch die zweistufige Abscheidung mit der verbesserten Feinölabscheidung wesentlich verbessert werden.
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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]
