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Die Erfindung betrifft eine Abscheidevorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Abscheidung einer Fluidkomponente aus einer Fluidmischung gemäß dem Patentanspruch 7.
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So geht aus der Patentschrift
EP 1 941 132 B1 ein Verfahren zur Abscheidung von Kraftstoff aus einem Schmieröl einer Verbrennungskraftmaschine hervor, wobei mit Hilfe einer Wärmequelle in Form eines Infrarotstrahlers das Schmieröl erwärmt wird, damit der Kraftstoff daraus verdampfen kann.
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Die Offenlegungsschrift
JP 2012 136 989 A1 offenbart ein Verfahren zur Ausdampfung von Verunreinigungen aus einem Öl eines Dieselmotors. Hierzu wird das Öl in einen beheizbaren Behälter abgesaugt, in dem die Verunreinigungen verdampft werden. Das gereinigte Öl wird wieder einer Ölwanne des Dieselmotors zugeführt.
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Die Offenlegungsschrift
JP 2010-106 776 A offenbart eine Abscheidevorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, aufweisend einen Behälter mit einer Fluidmischung bestehend aus den Fluidkomponenten Öl und Kraftstoff, und einen weiteren Behälter, wobei die beiden Behälter über eine Durchströmöffnung im weiteren Behälter miteinander durchströmbar verbunden sind. Ein im weiteren Behälter herrschender Druck, welcher kleiner ist als der im Behälter anliegende Druck, dient der Strömung der Fluidmischung in den weiteren Behälter.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Abscheidevorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe eines alternativen Verfahrens zur Abscheidung einer Fluidkomponente aus einer Fluidmischung.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abscheidevorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weitere Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Abscheidung einer Fluidkomponente aus einer Fluidmischung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Abscheidevorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine umfasst einen ersten Behälter und einen zweiten Behälter, sowie ein die beiden Behälter durchströmbar verbindendes Durchströmelement. Im ersten Behälter ist ein erster Druck ausgebildet, welcher größer ist als ein im zweiten Behälter anliegender zweiter Druck. Der erste Behälter ist eine Fluidmischung, bestehend aus einer ersten Fluidkomponente und einer zweiten Fluidkomponente, aufnehmbar ausgebildet, wobei die beiden Fluidkomponenten unterschiedlich flüchtig sind. Der zweite Behälter ist zur Änderung eines Aggregatzustandes der flüchtigeren der beiden Fluidkomponenten von flüssig in gasförmig die Fluidmischung mit Hilfe des Durchströmelementes und des zweiten Druckes aufnehmbar ausgebildet. Das Durchströmelement ist in Form einer Drossel ausgebildet, wobei der zweite Behälter einen drosselnahen ersten Behälterabschnitt und einen drosselfernen zweiten Behälterabschnitt aufweist, wobei im ersten Behälterabschnitt die schwer flüchtigere Fluidkomponente und im zweiten Behälterabschnitt die leicht flüchtigere Fluidkomponente vorliegt. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in ihrem kostengünstigen Aufbau zu sehen. Die Trennung der Fluidkomponenten wird aufgrund eines Druckgefälles zwischen dem ersten Behälter und dem zweiten Behälter herbeigeführt, wobei dieses Druckgefälle zugleich ein Überströmen der Fluidmischung aus dem ersten Behälter in den zweiten Behälter erwirkt.
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Das Druckgefälle zwischen dem ersten Behälter und dem zweiten Behälter kann auf verschiedene Weisen herbeigeführt werden. Dies kann geregelt oder ungeregelt erfolgen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die in den zweiten Behälter einströmende Fluidmischung bereits aufgrund des Druckunterschiedes und/oder seiner Temperatur zumindest beim Einströmen in den zweiten Behälter in die beiden Fluidkomponenten gespalten ist und die bereits gasförmige Fluidkomponente sich aufgrund des geringeren zweiten Druckes ausdehnt und somit in den drosselfernen zweiten Behälterabschnitt strömt. Je nach dort anliegender Temperatur kann sie dort kondensieren. Die flüssige Fluidkomponente kann sich, da sich der erste Behälterabschnitt drosselnah befindet, bereits beim Ausströmen aus dem Durchströmelement absetzen und bevorzugt gleich mit Hilfe eines Förderelementes abgeführt werden.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abscheidevorrichtung ist zur Herbeiführung des zweiten Druckes ein Förderelement im zweiten Behälter ausgebildet. Damit lässt sich zum einen der zweite Druck geregelt einstellen und zum anderen kann mit Hilfe des Förderelementes die weniger flüchtigere Fluidkomponente, welche noch im flüssigen Zustand vorliegt, während die flüchtigere Fluidkomponente bereits ihren gasförmigen Zustand erreicht hat, abgesaugt werden. Der wesentliche Vorteil ist in der Einstellung des zweiten Druckes zu sehen, da mit dem zweiten Druck das Verdampfungs- und Kondensationsverhalten der flüchtigeren Fluidkomponente eingestellt werden kann.
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Sofern das Durchströmelement beheizbar ausgebildet ist, kann das Abscheidevolumen bzw. die Abscheiderate wesentlich gesteigert werden, da bereits während dem Überströmen vom ersten Behälter in den zweiten Behälter die Fluidmischung auf eine, für die leichtflüchtigere Fluidkomponente zur Herbeiführung ihres gasförmigen Zustandes entsprechende Temperatur gebracht werden kann.
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Im zweiten Behälter ist bevorzugt eine Regelkomponente zur geregelten Abfuhr der leichter flüchtigen Fluidkomponente aufweisend ausgebildet. Somit kann die leichter flüchtige Fluidkomponente kondensiert, mit anderen Worten im flüssigen Zustand, jedoch auch im gasförmigen Zustand aus dem zweiten Behälter abgeführt werden. Des Weiteren kann die Regelkomponente zur Herbeiführung des zweiten Druckes genutzt werden. Das heißt mit anderen Worten, dass durch eine Steuerung der Regelkomponente zusätzlich zum Förderelement die gewünschten Zustände im zweiten Behälter, wie bspw. ein Verdampfen der leichter flüchtigen Fluidkomponente, die Kondensation derselben, oder das Abführen der kondensierten Fluidkomponente erzielt werden.
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Zur weiteren Steigerung der Abscheiderate sind Abschnittsböden und/oder Wände der Behälter temperierbar ausgebildet. Somit kann eine im entsprechenden Behälterabschnitt gewünschte Temperatur herbeigeführt werden, die bspw. im ersten Behälterabschnitt die Abscheidung der leichter flüchtigen Fluidkomponente, mit anderen Worten die Änderung des Aggregatzustandes von flüssig in gasförmig der leichter flüchtigen Fluidkomponente fördert, und im zweiten Behälterabschnitt die Kondensation der leichter flüchtigen Fluidkomponente herbeiführt.
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Sofern das Durchströmelement regelbar ist, kann eine in den zweiten Behälter strömende Menge der Fluidmischung geregelt werden. Dies kann bspw. Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine angepasst sein, derart, dass in höheren Last- und/oder Drehzahlen bspw. eine größere Menge der Fluidmischung zur Abscheidung in den zweiten Behälter geführt wird.
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Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung einer Fluidkomponente aus einer Fluidmischung, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei die Fluidmischung aus einer ersten Fluidkomponente und einer zweiten Fluidkomponente besteht. Eine der beiden Fluidkomponenten ist leichtflüchtiger bzw. leicht flüchtiger ist als die andere der beiden Fluidkomponenten. In einem ersten Behälter, in dem die Fluidmischung vorliegt, liegt ein erster Druck an. Der erste Behälter ist mit einem zweiten Behälter durchströmbar verbunden, wobei im zweiten Behälter ein zweiter Druck anliegt, welcher kleiner ist als der erste Druck. Mit Hilfe des zweiten Druckes strömt die Fluidmischung in den zweiten Behälter und die leichtflüchtigere Fluidkomponente ändert ihren Aggregatzustand von flüssig in gasförmig. Die andere Fluidkomponente wird mit Hilfe eines Förderelementes aus dem zweiten Behälter abgesaugt. Der zweite Druck wird mit Hilfe des Förderelementes herbeigeführt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in einer zuverlässigen Trennung der beiden Fluidkomponenten zu sehen, da die flüssige Fluidkomponente abgesaugt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es zeigen:
- 1 in einer Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Abscheidevorrichtung für eine Schmiermitteleinheit einer Verbrennungskraftmaschine, und
- 2 in einem Anteil-Temperatur-Diagramm eine Zusammensetzung von Erdöl und dessen Destillationsbereiche.
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Eine erfindungsgemäße Abscheidevorrichtung 1 für eine Schmiermitteleinheit 2 einer Verbrennungskraftmaschine 3 ist gemäß 1 aufgebaut. Die Schmiermitteleinheit 2 umfasst im Wesentlichen einen Schmiermitteltank, welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel einem ersten Behälter 4 der Abscheidevorrichtung 1 entspricht, und in der Verbrennungskraftmaschine 3 ausgebildete, nicht näher dargestellte Schmiermittelkanäle sowie eine nicht näher dargestellte Fluidpumpe.
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Ebenso könnte der Schmiermitteltank auch als ein vom ersten Behälter 4 unabhängiger Tank ausgebildet sein, wobei der Schmiermitteltank dann mit dem ersten Behälter 4 durchströmbar verbunden ausgebildet wäre.
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Die Fluidpumpe ist zur Förderung eines Fluids 5, 6 der Verbrennungskraftmaschine 3 vorgesehen, welches sich über eine Laufzeit der Verbrennungskraftmaschine 3 ursprünglich bestehend aus einer einzigen Fluidkomponente, einer ersten Fluidkomponente 5, in eine Fluidmischung 6 verändert, wobei eine zweite Fluidkomponente 7 zusätzlich zur ersten Fluidkomponente 5 Bestandteil der Fluidmischung 6 ist. Die erste Fluidkomponente 5 entspricht einem reinen Schmieröl und die zweite Fluidkomponente 7 entspricht einem Kraftstoff der Verbrennungskraftmaschine 3.
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Das Fluid 5, 6 durchströmt in einem üblicherweise geschlossenen Kreislauf die Verbrennungskraftmaschine 3 über die Schmiermittelkanäle, wobei das Fluid 5, 6 aus dem Schmiermitteltank, im vorliegenden Ausführungsbeispiel der erste Behälter 4, gefördert wird und - nach dem Durchströmen der Verbrennungskraftmaschine 3 - wieder in den Schmiermitteltank 4 zurück strömt.
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Das Fluid 5, 6 ist zur Durchströmung der Verbrennungskraftmaschine 3 vorgesehen, damit bewegbare Bauteile der Verbrennungskraftmaschine 3 zuverlässig mit der ersten Fluidkomponente 5 versorgt werden. Während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine 3 gelangt die zweite Fluidkomponente 7 in Form des Kraftstoffs, welcher zum bekannten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 3 notwendig ist, in flüssiger und/oder gasförmiger Form in die Schmiermitteleinheit 2 und lagert sich im und/oder am Fluid 5, 6 ab.
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Die Abscheidevorrichtung 1 umfasst den ersten Behälter 4, welcher mit der Fluidmischung 6 befüllt ist und einen ersten Druck p1 aufweist. Sie umfasst des Weiteren einen zweiten Behälter 8, welcher ebenfalls die Fluidmischung 6 jedoch bei einem zweiten Druck p2 aufweist, welcher kleiner ist als der erste Druck p1. Zur durchströmbaren Verbindung des ersten Behälters 4 mit dem zweiten Behälter 8 ist ein die beiden Behälter 4, 8 durchströmbar verbindendes Durchströmelement 9 der Abscheidevorrichtung 1 ausgebildet, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Durchströmelement 9 in Form einer Drossel ausgestaltet ist.
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Damit das Fluid 5, 6 zuverlässig aus dem ersten Behälter 4 in den zweiten Behälter 8 strömen kann, ist das Durchströmelement 9 nahe einem Boden 10 des ersten Behälters 4, unterhalb eines Fluidpegels 11 des Fluids 5, 6, angeordnet.
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Der zweite Behälter 8 ist unterteilt in einen ersten Behälterabschnitt 12 und in einen zweiten Behälterabschnitt 13, wobei der erste Behälterabschnitt 12 ein drosselnaher Abschnitt des zweiten Behälters 8 und der zweite Behälterabschnitt 13 ein drosselferner Abschnitt des zweiten Behälters 8 ist.
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Die Abscheidevorrichtung 1 weist des Weiteren ein Förderelement 14 in Form einer Pumpe auf, die einer Absaugung der im zweiten Behälter 6 vorliegenden ersten Fluidkomponente 5 dient. Die Pumpe 14 ist auch zur Erzielung des zweiten Druckes p2 ausgebildet, wobei der zweite Druck p2 geringer ist als der erste Druck p1. Aufgrund der Druckdifferenz strömt die Fluidmischung 6 aus dem ersten Behälter 4 über das Durchströmelement 9 in den zweiten Behälter 8. Mit Hilfe der Pumpe 14 ist somit der zweite Druck p2 regelbar.
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Die zweite Fluidkomponente 7 ist im Vergleich mit der ersten Fluidkomponente 5 leichtflüchtiger. Das heißt in diesem Zusammenhang mit anderen Worten, dass sich der Aggregatzustand der zweiten Fluidkomponente 7 im Vergleich mit dem Aggregatzustand der ersten Fluidkomponente 5 bereits bei niedrigeren Temperaturen und/oder Drücken von flüssig in gasförmig verändert. Die Erzeugung eines Unterdruckes, wie er verglichen mit dem im ersten Behälter 4 anliegenden Druck, im zweiten Behälter 8 vorliegt, ergibt eine weitere Reduzierung der zur Aggregatzustandsänderung notwendigen Temperatur, derart, dass bereits bei Raumtemperatur eine Abscheidung der zweiten Fluidkomponente 7 von der ersten Fluidkomponente 5 möglich ist.
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Der vorstehend genannte Zusammenhang ist in 2 in einem Anteil-Temperatur-Diagramm von Erdöl und Destillationsbereiche seiner verschiedenen Komponenten A1, A2, A3, A4, A6, A6 dargestellt. Die erste Komponente A1 entspricht Benzin, die zweite Komponente A2 Leuchtöl, die dritte Komponente A3 Gasöl, die vierte Komponente A4 Schmieröl, die fünfte Komponente Zylinderöl und die sechste Komponente A6 Rückständen des Erdöls.
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Eine erste Linie L1 kennzeichnet einen Verlauf einer Destillationstemperatur T bei Umgebungsbedingungen und eine zweite Linie L2 kennzeichnet den Verlauf der Destillationstemperatur T unter Vakuumzuständen. Das heißt mit anderen Worten, dass eine Reduzierung des Druckes eine Reduzierung der Destillationstemperatur T ergibt. Des Weiteren geht aus dem Diagramm hervor, dass die verschiedenen Komponenten des Erdöls verschiedene Destillationstemperaturbereiche ΔT aufweisen. Somit kann aufgrund der unterschiedlichen Flüchtigkeiten die einzelnen Komponenten A1, A2, A3, A4, A5, A6 bei entsprechenden Temperaturen T und/oder entsprechenden Drücken eine Komponententrennung herbeigeführt werden. Die gestrichelt eingezeichneten Linienabschnitte kennzeichnen extrapolierte Temperaturen T.
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Das Förderelement 14 ist im ersten Behälterabschnitt 12 ausgebildet. Aufgrund des im Vergleich zum ersten Druck p1 niedrigeren Druckes p2 im zweiten Behälter 8 ergibt sich eine Abscheidung der zweiten Fluidkomponente 7 von der ersten Fluidkomponente 5, da die zweite Fluidkomponente 7 ihren Aggregatzustand von flüssig in gasförmig ändert. Die im flüssigen Zustand vorliegende erste Fluidkomponente 5 wird mit Hilfe des Förderelementes 14 abgesaugt und in den ersten Behälter 4 gefördert.
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Im zweiten Behälterabschnitt 13, welcher drosselfern angeordnet ist, kann die ausgehend vom drosselnahen ersten Behälterabschnitt 12 in den drosselfernen Behälterabschnitt 13 strömende gasförmig vorliegende zweite Fluidkomponente 7 kondensieren und sich im zweiten Behälterabschnitt 13 anlagern. Mit Hilfe einer in einer Durchströmöffnung 15 im zweiten Behälterabschnitt 13 angeordneten Regelkomponente 16 in Form eines Ventils kann die im zweiten Behälterabschnitt 13 kondensierte zweite Flüssigkeitskomponente 7 aus diesem in einen weiteren Behälter 17 abgeführt werden. Der weitere Behälter 17 könnte bspw. ein nicht näher dargestellter Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine 3 sein. Das Ventil 16 kann in Form eines mechanischen oder eines elektronisch regelbaren Ventils ausgebildet sein. Es ist jede mögliche für diesen Zweck verwendbare Ventilform einsetzbar.
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Zur Förderung einer Abscheiderate ist eine Wärmequelle 18 vorgesehen, die im dargestellten Ausführungsbeispiel in Form einer Heizwendel das Durchströmelement 9 aufnehmend ausgebildet ist. Somit wird die Fluidmischung 6 bereits im Durchströmelement 9 erwärmt und die leichtflüchtigere Komponente, im vorliegenden Ausführungsbeispiel die zweite Fluidkomponente 7, kann ihren gasförmigen Aggregatzustand in kürzerer Zeit erreichen.
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Eine weitere Möglichkeit der verbesserten Trennung der beiden Fluidkomponenten 5, 7 vorzunehmen ist die Bereitstellung eines im Vergleich mit dem zweiten Behälterabschnitt 13 wärmeren ersten Behälterabschnitts 12. Dies könnte bspw. mit Hilfe eines beheizbaren ersten Abschnittsbodens 19 des ersten Behälterabschnitts 12 realisiert werden. Ebenso könnte ein zweiter Abschnittsboden 20, welcher im zweiten Behälterabschnitt 13 ausgebildet ist, zur verbesserten Destillation der zweiten Fluidkomponente 7 gekühlt werden. Ebenso können Wände der beiden Behälterabschnitte 12, 13 entsprechend temperiert werden.
