DE112009005511B4

DE112009005511B4 - Gas-Öl-Abscheider für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE112009005511B4
Application number: DE112009005511.7T
Authority: DE
Inventors: Kelly R. Schmitz; John R. Anderson; Brian W. Schwandt; Peter K. Herman
Original assignee: Cummins Filtration IP Inc
Current assignee: Cummins Filtration IP Inc
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2016-10-27
Anticipated expiration: 2029-04-22
Also published as: DE112009005511A5; US20090308249A1; DE112009000868T5; DE112009000868B4; BRPI0915362A2; WO2009154864A1; CN102066705A; US8075655B2

Abstract

Gas-Öl-Abscheider für einen Verbrennungsmotor (32) mit einer Innenkammer (40), die einen Gas-Öl-Nebel darin aufweist, umfassend einen rotierenden Trägheitsabscheider (42) in der Innenkammer (40), der an einer rotierenden Motorwelle (36) in der Innenkammer (40) angebracht ist und sich damit um eine Drehachse (44) dreht, wobei der Abscheider (42) einen Gasauslass (54) aufweist, der getrenntes Gas von dem Gas-Öl-Nebel abführt, wobei die rotierende Motorwelle (36) hohl ist und darin entlang einen Axialgasströmungskanal (56) aufweist mit einem Gaseinlass (58), der das getrennte Gas von dem Gasauslass (54) des Abscheiders (42) empfängt, und einem Gasauslass (60), der das getrennte Gas abführt, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheider (42) als Trägheitsimpaktorabscheider (42) ausgeführt ist, der durch Trägheitsimpaktion Gas und Öl von dem Gas-Öl-Nebel trennt, und dass der Abscheider (42) eine Scheibe umfasst, die einen Außenumfang (64) mit mehreren radial nach innen gerichteten Strömungsöffnungen (66, 68) und jeweilige radiale Kanäle (50, 52), die Strömung radial nach innen leiten, aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft Gas-Öl-Abscheider für Verbrennungsmotoren, darunter Kurbelgehäuseentlüftungsabscheidungssysteme, die geschlossene Kurbelgehäuseentlüftungssysteme (CCV-Systeme, CCV – closed crankcase ventilation) und offene Kurbelgehäuseentlüftungssysteme (OCV-Systeme, CCV – open crankcase ventilation) umfassen. Im Detail betrifft die Erfindung einen Gas-Öl-Abscheider mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Der bekannte Gas-Öl-Abscheider, von dem die Erfindung ausgeht ( US 6,279,553 B1 ), umfasst einen rotierenden Trägheitsabscheider, der an einer rotierenden Motorwelle in einer Innenkammer des Gehäuses angebracht ist und sich mit dieser um eine Drehachse dreht. Die Abscheidewirkung basiert hier ausschließlich auf Trägheitswirkung, weil das Öl im Gas-Öl-Nebel radial nach außen durch Radialkanäle im rotierenden Trägheitsabscheider abgeführt wird, während das Gas radial nach innen zur rotierenden Motorwelle hin abgeführt werden kann. Die rotierende Motorwelle ist hohl und das Gas strömt so durch den Axialgasströmungskanal in der Motorwelle zu einem Gasauslass.
Für sich bekannt sind auch Gas-Öl-Abscheider, die einen rotierenden Trägheitsimpaktorabscheider umfassen ( US 5,261,380 A ). Der Trägheitsimpaktorabscheider hat hier die Gestalt einer hohlen Scheibe mit auf dem Außenumfang angeordneten, radial nach außen gerichteten Strömungsflügeln. Die Strömungsflügel enthalten nach innen gerichtete Strömungsöffnungen. Durch die Anordnung und Gestaltung der Strömungsflügel wird zum einen erreicht, dass der Gasanteil des Gas-Öl-Nebels durch die Strömungsöffnungen in das Innere der Scheiben eintritt, wird andererseits aber erreicht, dass der Ölanteil durch die Strömungsflügel radial nach außen weggeschleudert wird.
Der Lehre liegt das Problem zugrunde, den eingangs erläuterten Gas-Öl-Abscheider, von dem die Erfindung ausgeht, mit einer zusätzlichen Abscheiderfunktion zu versehen.
Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist bei einem Gas-Öl-Abscheider mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.
Der Abscheider ist erfindungsgemäß als Trägheitsimpaktorabscheider ausgeführt, der durch Trägheitsimpaktion Gas und Öl von dem Gas-Öl-Nebel trennt. Um das zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Abscheider eine Scheibe umfasst, die einen Außenumfang mit mehreren radial nach innen gerichteten Strömungsöffnungen aufweist sowie jeweilige radiale Kanäle aufweist, die Strömung radial nach innen leiten.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gas-Öl-Abscheiders sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen die Figuren Folgendes:
1 ist eine isolierte perspektivische Ansicht des Gas-Öl-Abscheiders für einen Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung.
2 ist wie ein Teil von 1 und zeigt eine weitere Ausführungsform.
3 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils von 2.
4 ist eine Endansicht der Ausführung von 3.
5 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 von 2.
6 ist wie 3 und zeigt eine weitere Ausführungsform.
7 ist wie 2 und zeigt eine andere nicht erfindungsgemäße Ausführungsform.
8 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils von 7.
9 ist eine perspektivische Unteransicht der Ausführung von 8.
10 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 10-10 von 8.
11 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 11-11 von 7.
12 ist wie 7 und zeigt eine andere nicht erfindungsgemäße Ausführungsform.
13 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils von 12.
14 ist eine perspektivische Unteransicht der Ausführung von 13.
15 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 15-15 von 13.
16 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 16-16 von 12.
17 ist wie 1 und zeigt eine andere Ausführungsform.
18 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Teils von 17.
19 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 19-19 von 17.
1 zeigt einen Gas-Öl-Abscheider 30 für einen Verbrennungsmotor 32, von dem ein Teil an einer Kurbelgehäuseendplatte 34 und einer Nockenwelle 36 gezeigt wird, die ein Zahnrad oder Nockenwellenrad 38 aufweist, das daran angebracht ist und sich damit dreht. Der Motor weist eine Innenkammer 40 mit einem Gas-Öl-Nebel darin auf. Ein rotierender Trägheitsimpaktor 42 ist in der Innenkammer 40 vorgesehen und an einer rotierenden Motorwelle in der Innenkammer angebracht und dreht sich mit dieser um eine Drehachse 44. Bei einer Ausführungsform ist der Abscheider 42 durch Schrauben, wie bei 46, 48, am Nockenwellenzahnrad 38 angebracht und durch eine O-Ring-Dichtung 49 dagegen abgedichtet. Der Gas-Öl-Nebel tritt in mehrere radial verlaufende Kanäle, wie bei 50, 52 usw., ein und wird durch Trägheitsimpaktion gegen die Wand des Kanals getrennt, während sich der Abscheider 42 dreht, wodurch der Abscheider durch Trägheitsimpaktion Gas und Öl aus dem Gas-Öl-Nebel trennt. Die abgetrennten flüssigen Öltropfen werden durch Zentrifugalkraft nach außen zurück in die Innenkammer 40 geschleudert. Der Abscheider 42 weist einen mittleren Gasauslass 54, 5, auf, der abgetrenntes Gas von dem Gas-Öl-Nebel abführt. Die rotierende Motorwelle, zum Beispiel die Nockenwelle 36, ist hohl, wie an dem sich axial erstreckenden hohlen Kanal 56 gezeigt, der einen Axialgasströmungskanal daran entlang bereitstellt, welcher einen Gaseinlass 58, der abgetrenntes Gas vom Gasauslass 54 des Abscheiders empfängt, und einen Gasauslass 60, 1, aufweist, der das abgetrennte Gas abführt. Der Gasauslass 60 der hohlen rotierenden Motorwelle 36 wird zum Beispiel an der Leitung 62 auf einen niedrigeren Druck als der Druck in der Innenkammer 40 entlüftet. Zum Beispiel kann der Gasauslass 60 der hohlen rotierenden Motorwelle 36 am Auslassrohr 62 an die Atmosphäre oder an die Luftansaugeinlassseite eines Kraftstoff-Luft-Ansaugsystems entlüftet werden. Demgemäß besteht zwischen der Innenkammer 40 und dem Gasauslass 60 der hohlen rotierenden Motorwelle 36 eine Druckdifferenz. Diese Druckdifferenz gewährleistet eine gerichtete Richtungsströmung, die durch die Kanäle 50, 52 usw. zum Abscheider 42 und dann durch den Kanal 56 der hohlen rotierenden Motorwelle 36 zum Gasauslass 60 geleitet wird. Bei der Ausführungsform von 1 ist der Abscheider 42 eine Scheibe mit einem Außenumfang 64, der mehrere radial nach innen gerichtete Strömungsöffnungen 66, 68 usw. aufweist, und jeweiligen mehreren der erwähnten radialen Kanäle 50, 52 usw., die Strömung davon radial nach innen leiten.
2–4 zeigen eine weitere Ausführungsform und verwenden, wo angemessen, zum besseren Verständnis gleiche Bezugszahlen wie oben. Die Abscheiderscheibe 70 weist mehrere Spitzen, wie 72, 74 usw., auf, die daran entlang ausgebildet sind, wobei jede eine Anströmseite, wie 76, aufweist, die in Drehrichtung 78 weist und eine Impaktionsfläche bildet, die zusätzlich zu der Impaktionsfläche, die durch die Wand des sich radial nach innen erstreckenden Kanals, wie 50, gebildet wird, eine Trennung des Gas-Öl-Nebels bewirkt. Des Weiteren weist jede der erwähnten Spitzen eine Abströmseite, wie 80, auf, die eine jeweilige radial nach innen gerichtete Strömungsöffnung, wie 66, dort hindurch aufweist. Bei einer Ausführungsform verläuft die Abströmseite 80 an der radial nach innen gerichteten Strömungsöffnung 66 entlang einem hinterschnittenen Winkel 82, 4, der eine Unterdruckzone 84 an der radial nach innen gerichteten Strömungsöffnung 66 bereitstellt, so dass Letztere abgetrenntes Gas dort hinein saugt. Die Spitze 74 weist einen äußersten Rand 86 an einem ersten Teil in einem ersten radialen Abstand von der Achse 44 und einen den erwähnten ersten Teil bei 86 nachlaufenden zweiten Teil bei 80, der sich in einem zweiten radialen Abstand von der Achse 44 befindet, auf. Die radial nach innen gerichtete Strömungsöffnung 66 befindet sich am erwähnten zweiten Teil 80, und der erwähnte zweite radiale Abstand ist kleiner als der erwähnte erste radiale Abstand.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Abscheiderscheibe 90, die einen Außenumfang mit mehreren Spitzen, wie 92, aufweist, die jeweils eine Anströmseite 94, die in Drehrichtung weist und zusätzlich zu der Impaktionsfläche, die durch die Wand des Kanals 50 gebildet wird, eine Impaktionsfläche bildet, die Trennung des Gas-Öl-Nebels bewirkt, und eine Abströmseite 96 mit einer jeweils radial nach innen gerichteten Strömungsöffnung 66 dort hindurch aufweist.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform mit einer Abscheiderscheibe 100, die mehrere axial gerichtete Strömungsdüsen, wie 102, 104 usw., aufweist, die Strömung axial dort hindurch, wie bei Pfeil 16, 11, gezeigt, gegen eine Impaktionsfläche 108 leiten, wodurch eine Trennung des Gas-Öl-Nebels bewirkt wird. Bei einer Ausführungsform weist der Impaktorkollektor 108 eine raue, poröse Sammel- oder Aufprallfläche, zum Beispiel ein Kissen aus fasrigen Medien, auf, das eine Trennung der flüssigen Ölteilchen von dem Gas-Öl-Strom bewirkt, und ist wie der in der US 6,290,738 B1 gezeigte. Bei einer anderen Ausführungsform wird eine glatte, undurchlässige Aufprallfläche, zum Beispiel bei 110, ohne Kissen 108 verwendet, der eine Teilchentrennung mit scharfer Trenngrenze bereitstellt, wie im '738-Patent erwähnt. Die Düsen 102, 104 usw. können durch Durchlässe mit einer Venturi- oder Kegelstumpfform, wie in der US 6,290,738 B1 bereitgestellt werden. Die getrennten flüssigen Öltropfen werden durch Zentrifugalkraft, wie durch die Pfeile 112 gezeigt, radial nach außen geschleudert. Das getrennte Gas strömt, wie bei den Pfeilen 114 gezeigt, zum Gasauslass 166, wie durch die erwähnte Druckdifferenz angetrieben, und dann durch den Axialgasströmungskanal 56 durch die hohle rotierende Motorwelle 36 zum Gasauslass 60 und zur Leitung 62 zur Abführung an die Atmosphäre (offene Kurbelgehäuseentlüftung OCV) oder wird zurück zum Motorlufteinlasssystem geleitet (geschlossene Kurbelgehäuseentlüftung CCV).
Die Scheibe 100 weist eine äußere Sammelkammer 120 auf, die von den Düsen 102, 104 usw. bezüglich der Achse 44 radial nach außen beabstandet ist. Die äußere Sammelkammer weist eine Ablauföffnung 122 auf, die das getrennte Öl ablässt. Bei einer Ausführungsform ist an der Ablauföffnung 122 ein Einwege-Ablaufventil 124, zum Beispiel ein Lippenventil oder ein anderes Rückschlagventil, vorgesehen, das das Ablassen von abgetrenntem Öl aus der Ablauföffnung gestattet und Rückstrom von Gas in die entgegengesetzte Richtung in die Ablauföffnung zurück sperrt. Das Ventil weist einen normalerweise geschlossenen Zustand auf und ist vorbelastet, zum Beispiel der natürlich in die geschlossene Stellung vorbelastete Zustand eines Lippenventils, oder ein federvorbelastetes Kugelventil usw., um so lange geschlossen zu bleiben, bis ein gegebener Ölkopfdruck in der Sammelkammer 120 plus Zentrifugaldruck aufgrund von Drehung solch eine Vorbelastung überwindet, wobei diese Vorbelastung Gasdruck in der Innenkammer 40 enthält. Bei einer Ausführungsform ist das Ablaufventil so kalibriert, dass der Zentrifugaldruck allein – ohne den erwähnten gegebenen Ölkopfdruck in der Sammelkammer 120 – nicht dazu ausreicht, die erwähnte Vorbelastung zu überwinden und das Ablaufventil zu öffnen. Die Abscheiderscheibe 100 enthält eine äußere Abdeckung 126 mit den dort hindurch ausgebildeten erwähnten Düsen 102, 104 usw. und eine Pass-Basis 128, die die Sammelkammer 120 bildet und durch Schrauben, wie zum Beispiel 46, 48, wie oben, am Nockenwellenzahnrad 38 angebracht und durch eine O-Ring-Dichtung 49 dagegen abgedichtet ist.
12–16 zeigen eine weitere Ausführungsform und verwenden, wo angemessen, zum besseren Verständnis gleiche Bezugszahlen wie oben. Die Abscheiderscheibe 130 weist einen oder mehrere Lappen, zum Beispiel drei Lappen 132, 134, 136 bei einer dreieckigen Scheibe, auf, obgleich auch andere Formen verwendet werden können, wobei die Lappen von der Achse 44 weiter radial nach außen beabstandet sind als der Rest der Scheibe, wie bei 138. Die Lappen gewährleisten exzentrische Sammelkammern, wie 140, die jeweils eine jeweilige Ablauföffnung, wie 142, aufweisen. Bei jeder der Ausführungsformen der 7–16 kann eine sich teilweise axial erstreckende Trennwand 144 vorgesehen sein, um das Weiterleiten von flüssigem Öl zum Gasauslass 116 zu verhindern. Ein Ablaufventil kann an der Ablauföffnung 142 vorgesehen sein, vergleichbar mit dem Ablaufventil 124 an der Ablauföffnung 122.
17–19 zeigen eine weitere Ausführungsform und verwenden, wo angemessen, zum besseren Verständnis die gleichen Bezugszahlen wie oben. Ein erster rotierender grober Vorreiniger-Trägheitsimpaktorabscheider wird, wie oben, bei 70 bereitgestellt, und ein zweiter rotierender, feiner Wäscher-Trägheitsimpaktorabscheider wird, wie oben, bei 100 bereitgestellt. Der erste und der zweite Abscheider 70 und 100 befinden sich in der Innenkammer 40 und sind an der rotierenden Motorwelle 36 in der Innenkammer 40 angebracht und drehen sich um die Drehachse 44 mit ihr. Der erste und der zweite Abscheider 70 und 100 sind entlang der gleichen Drehachse 44 axial ausgerichtet und trennen Gas und Öl durch Trägheitsimpaktion von dem Gas-Öl-Nebel. Der Gas-Öl-Nebel strömt nacheinander durch die Abscheider 70 und 100, anfangs durch den ersten Abscheider 70 und dann durch den zweiten Abscheider 100. Die Abscheider sind durch die erwähnten Schrauben 46, 48 aneinander und an dem Nockenwellenzahnrad 38 angebracht. Eine Übergangskammer 146 wird durch die schalenförmige Abdeckung 148 bereitgestellt, die zwischen den Abscheidern angebracht und an der O-Ring-Dichtung 150 gegen den Abscheider 70 abgedichtet ist und einen mittleren Durchtritt 152 aufweist, der mit dem zentralen Auslass 54 des Abscheider 70 in Verbindung steht und einen Strömungskanal zu den Düsen 102, 104 usw. bereitstellt, wie bei den Pfeilen 154 gezeigt.
Die verschiedenen Konfigurationen, Systeme und Verfahrensschritte, die hier beschrieben werden, können allein oder in Kombination mit anderen Konfigurationen, Systemen und Verfahrensschritten verwendet werden.

Claims

Gas-Öl-Abscheider für einen Verbrennungsmotor (32) mit einer Innenkammer (40), die einen Gas-Öl-Nebel darin aufweist, umfassend einen rotierenden Trägheitsabscheider (42) in der Innenkammer (40), der an einer rotierenden Motorwelle (36) in der Innenkammer (40) angebracht ist und sich damit um eine Drehachse (44) dreht, wobei der Abscheider (42) einen Gasauslass (54) aufweist, der getrenntes Gas von dem Gas-Öl-Nebel abführt, wobei die rotierende Motorwelle (36) hohl ist und darin entlang einen Axialgasströmungskanal (56) aufweist mit einem Gaseinlass (58), der das getrennte Gas von dem Gasauslass (54) des Abscheiders (42) empfängt, und einem Gasauslass (60), der das getrennte Gas abführt, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheider (42) als Trägheitsimpaktorabscheider (42) ausgeführt ist, der durch Trägheitsimpaktion Gas und Öl von dem Gas-Öl-Nebel trennt, und dass der Abscheider (42) eine Scheibe umfasst, die einen Außenumfang (64) mit mehreren radial nach innen gerichteten Strömungsöffnungen (66, 68) und jeweilige radiale Kanäle (50, 52), die Strömung radial nach innen leiten, aufweist.
Gas-Öl-Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasauslass (60) der hohlen rotierenden Motorwelle (36) auf einen niedrigeren Druck als der Druck in der Innenkammer (40) entlüftet ist, so dass dazwischen eine Druckdifferenz besteht, dass so eine gerichtete Strömung zu dem Abscheider (42) und durch die hohle rotierende Motorwelle (36) zu dem Gasauslass (60) geleitet wird.
Gas-Öl-Abscheider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Kanäle (50, 52) mit dem Axialgasströmungskanal (56) in der hohlen rotierenden Motorwelle (36) in Verbindung stehen, so dass das getrennte Gas von den radialen Kanälen (50, 52) in den Axialgasströmungskanal (56) der hohlen rotierenden Motorwelle (36) strömt.
Gas-Öl-Abscheider nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfang mehrere daran entlang ausgebildete Spitzen (72, 74) aufweist, die jeweils eine Anströmseite (76), die in Drehrichtung (78) weist und eine Impaktionsfläche bildet, die eine Trennung des Gas-Öl-Nebels bewirkt, und eine Abströmseite (80) mit einer jeweiligen radial nach innen gerichteten Strömungsöffnung (66) dort hindurch aufweisen.
Gas-Öl-Abscheider nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abströmseite (80) an der radial nach innen gerichteten Strömungsöffnung (66) entlang eines hinterschnittenen Winkels (82) befindet, der eine Unterdruckzone (84) an der radial nach innen gerichteten Strömungsöffnung (66) bereitstellt, so dass Letztere abgetrenntes Gas dort hinein saugt.
Gas-Öl-Abscheider nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (74) einen äußersten Rand (86) an einem ersten Teil in einem ersten radialen Abstand von der Achse (44) und an einem dem erwähnten ersten Teil nachlaufenden zweiten Teil in einem zweiten radialen Abstand von der Achse (44) aufweist, wobei sich die radial nach innen gerichtete Strömungsöffnung (66) am zweiten Teil befindet und der zweite radiale Abstand kleiner ist als der erste radiale Abstand.
Gas-Öl-Abscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vorhandene Trägheitsimpaktorabscheider ein rotierender grober Vorreiniger-Trägheitsimpaktorabscheider ist, dass dem Vorreiniger-Trägheitsimpaktorabscheider in Strömungsrichtung des Gas-Öl-Nebels ein rotierender feiner Wäscher-Trägheitsimpaktorabscheider nachgeschaltet ist und der Gas-Öl-Nebel nacheinander durch die Abscheider (70, 100) strömt, anfangs durch den ersten Abscheider (70) und dann durch den zweiten Abscheider (100), und dass sich beide Abscheider (70, 100) in der Innenkammer (40) befinden.
Gas-Öl-Abscheider nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide Abscheider (70, 100) an der rotierenden Motorwelle (36) in der Innenkammer (40) angebracht sind und sich damit um die Drehachse (44) drehen.
Gas-Öl-Abscheider nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beide Abscheider (70, 100) entlang derselben Drehachse (44) axial ausgerichtet sind und durch Trägheitsimpaktion Gas und Öl von dem Gas-Öl-Nebel trennen.