DE19642218A1 - Ölabscheidevorrichtung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Ölabscheidevorrichtung, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, zur Abscheidung von Öl aus einem Öl-Gas-Gemisch mit einem in einem Gehäuse angeord­ neten Ölabscheideelement.

Während des Arbeitsprozesses in Verbrennungskraft­ maschinen entsteht durch geringe Undichtigkeiten im Bereich der Kolbenringspalte ein Druckverlust, der dazu führt, daß aus dem Verbrennungsraum als "Blow­ by-Gas" bezeichnete Verbrennungsgase in das Kurbel­ gehäuse entweichen. Im Kurbelgehäuse befinden sich beispielsweise von der Antriebskette des Nockenwel­ lenantriebes herrührende Öltröpfchen, die von den Verbrennungsgasen aufgenommen werden und auf diese Weise in den Verbrennungsprozeß gelangen. Um die durch Ölverbrennung verursachte Schadstoffemission zu senken, wurden Ölabscheider entwickelt, die das Öl aus dem Öl-Gas-Gemisch entfernen sollen. Dazu sind Ölabscheider bekannt, die im wesentlichen aus einem groben Drahtgeflecht bestehen, das Kondensa­ tionspunkte bietet, an denen sich die Öltröpfchen sammeln und in einem bereitgestellten Ölsumpf als abgeschiedenes Öl dem Motorölkreislauf wieder zuge­ führt werden. Bekannt sind außerdem sogenannte Zy­ klonabscheider, die in einem Gehäuse stromführende Rippen aufweisen, an die das Öl-Gas-Gemisch geführt und scharf umgelenkt wird. Das Öl wird in dieser Art von Abscheidern nicht primär durch Kondensa­ tion, sondern durch die auf das Öl wirkende Träg­ heitskraft abgeschieden. Als nachteilig bei dem erst genannten Abscheidertyp erweist sich unter an­ derem, daß insbesondere kleine Öltröpfchen nicht abgeschieden werden können. Als nachteilig für beide Typen von Abscheidern erweist sich, daß diese ihren optimalen Arbeitspunkt stets nur im Statio­ närbetrieb der Verbrennungskraftmaschine erreichen, das heißt, bei einer konstanten Menge an entwei­ chendem Verbrennungsgas. Insbesondere im Instatio­ närbetrieb, wie er für den Normalbetrieb eines Kraftfahrzeuges durch das ständig erforderliche Hoch- beziehungsweise Herunterschalten üblich ist, sind diese Systeme für eine effiziente Ölabschei­ dung nicht mehr ausreichend.

Vorteile der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ölabschei­ devorrichtung, insbesondere für Verbrennungskraft­ maschinen von Kraftfahrzeugen, zur Abscheidung von Öl aus einem Öl-Gas-Gemisch mit einem in einem Ge­ häuse angeordneten Ölabscheideelement, wobei dieses Ölabscheideelement eine erste und eine zweite je­ weils mit einer Hochspannungsquelle verbundene Elektrode aufweist. Beide Elektroden sind im Strö­ mungsweg des Öl-Gas-Gemisches angeordnet und weisen unterschiedliche Polarität auf. Die Erfindung nutzt in vorteilhafter Weise das elektrostatische Prinzip aus, bei dem die von der ersten Elektrode auf­ geladenen Öltröpfchen von der zweiten Elektrode an­ gezogen und gesammelt werden. Diese erfindungsge­ mäße Ölabscheidevorrichtung ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau, der nur wenige Bauteile erfor­ dert. Darüber hinaus ist eine Ölabscheidung auch im Instationärbetrieb in effizienter Weise möglich.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ölab­ scheidevorrichtung ist darin zu sehen, daß nicht nur ölige Bestandteile im Gasgemisch abgeschieden werden, sondern auch im Blow-by-Gas enthaltene wäßrige Bestandteile sich separieren lassen.

Ein weiterer nicht unbeachtlicher Vorteil der Ölab­ scheidevorrichtung ist darin zu sehen, daß das Öl­ abscheideelement äußerst resistent gegen Verschmut­ zung ist, wobei insbesondere bekannte Öladditive als Verschmutzungsquellen zu nennen sind.

In bevorzugter Ausführungsform sieht die Erfindung vor, die erste Elektrode als rohrförmige Ringelek­ trode auszubilden, die von dem Öl-Gas-Gemisch durchströmbar ist. Mit Hilfe dieser Art der Formge­ bung lassen sich die öligen und wäßrigen Bestand­ teile im Gasgemisch besonders gut aufladen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfin­ dung sieht vor, die bezüglich der ersten Elektrode stromabwärts angeordnete zweite Elektrode flächig, insbesondere kegelförmig auszubilden, wobei die zweite Elektrode vorzugsweise senkrecht im Strö­ mungsweg des Gasgemisches liegt. Die zweite Elek­ trode wirkt damit als "Prallplatte", auf die die öligen und wäßrigen Bestandteile auftreffen und sich aufgrund der Polarität der Elektrode sammeln und damit nicht vom Gas weiter transportiert wer­ den.

Das gesammelte Öl-Flüssigkeits-Gemisch fließt durch entsprechende Formgebung der zweiten Elektrode vor­ zugsweise einer Abflußvorrichtung zu, die das Öl beziehungsweise die Flüssigkeit dem Motor zuführt.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, die rohrförmige Ringelektrode konisch auszubilden, wobei die durchströmte Querschnittsfläche in Strö­ mungsrichtung zunimmt. Vorzugsweise beträgt der Öffnungswinkel 10° bis 20°. Mit der konischen Form erreicht man eine Verminderung der Strömungsge­ schwindigkeit des Öl-Gas-Gemisches, so daß eine ef­ fizientere Aufladung der Flüssigkeitsteilchen mög­ lich ist. Darüber hinaus wird die Aufprallgeschwin­ digkeit des Gemisches auf die zweite Elektrode ver­ mindert, so daß die Flüssigkeitsteilchen an der Elektrode verharren und nicht vom abströmenden Gas mitgerissen werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich für die kegel­ förmige zweite Elektrode ein von der Mantelfläche eingeschlossener Winkel von 100° bis 140° herausge­ stellt.

Zur weiteren Verbesserung der Wirkungsweise wird die Kegelelektrode so angeordnet, daß die Spitze in Richtung der ersten Elektrode zeigt und ihre Symme­ trieachse vorzugsweise mit der Symmetrieachse der ersten Elektrode zusammenfällt.

Ein weitere Verbesserung des Wirkungsgrades der zweiten Elektrode liefert in einer weiteren bevor­ zugten Ausführungsform eine ringförmiger Rand, der parallel zur Symmetrieachse sich vom Rand der Man­ telfläche der Elektrode in Richtung der ersten Elektrode erstreckt. Damit wird einerseits die wirksame Elektrodenfläche vergrößert und anderer­ seits eine weitere Verlangsamung des aus strömenden Gases herbeigeführt, so daß die Verweilzeit des Öl- Gas-Gemisches im Wirkungsbereich der zweiten Elek­ trode verlängert wird.

Als besonders vorteilhaft hat sich desweiteren her­ ausgestellt, das Gehäuse der Ölabscheidevorrichtung aus Kunststoff herzustellen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, stromabwärts der zweiten Elektrode ein zweites Abscheideelement, insbeson­ dere in Form eines Drahtgeflechts und/oder eines Polyestergarns/-vlies anzuordnen, um auch letzte Rückstände an Öl beziehungsweise Flüssigkeit aus dem Gasstrom zu separieren.

Zeichnung

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbei­ spiels mit Bezug auf eine einzige Figur detailliert beschrieben. Dabei zeigt die Figur eine schemati­ sche Schnittdarstellung der Ölabscheidevorrichtung.

Ausführungsbeispiel

Eine Ölabscheidevorrichtung 1 weist ein vorzugs­ weise aus Kunststoff gefertigtes topfförmiges Ge­ häuse 3 auf, das von einer vorzugsweise ebenfalls aus Kunststoff gefertigten Stirnplatte 5 dichtend verschlossen ist. Die kreisförmige Stirnplatte 5 weist einen zentrisch angeordneten - bezüglich des Gehäuseinneren - nach außen ragenden Anschlußstutzen 7 und einen zentrisch angeordneten nach innen ra­ genden Einleitungsstutzen 9 auf. Beide Stutzen sind mit einem Durchbruch versehen, der eine Strömungs­ verbindung zwischen außen und innen des Gehäuses 3 herbei führt.

Die Fig. läßt erkennen, daß der Durchbruch des An­ schlußstutzens 7 als konisch verlaufende Bohrung ausgeführt ist, wobei die Querschnittsfläche zum Gehäuseinneren hin abnimmt. Im Gegensatz dazu ist der Durchbruch 9 als konische Bohrung ausgeführt, deren Querschnittsfläche sich zum Gehäuse inneren hin vergrößert.

Zum Anschluß einer schlauchförmigen Zuleitung weist das der Stirnplatte abgewandte Ende des Anschluß­ stutzens 7 eine ringförmige Erhebung 11 auf, die als Raste dient.

Eine Innenwandung 13 des Einleitungsstutzens 9 ist mit einer Elektrode 15 ausgekleidet, die mit einer nicht dargestellten Hochspannungsquelle verbunden ist. Die Elektrode 15 ist somit rohrförmig ausge­ bildet, wobei sie ihres Querschnitts wegen als Ringelektrode bezeichnet wird. Aufgrund ihrer in Längsrichtung gesehen konstanten Wandstärke weist auch die Ringelektrode 15 eine durchströmbare Quer­ schnittsfläche auf, die zum Gehäuseinneren hin zu­ nimmt. Bevorzugt wird ein im folgenden als Öff­ nungswinkel bezeichneter von einer Mantelfläche der Ringelektrode eingeschlossener Winkel α von 10° bis 20°.

Im Inneren des Gehäuses 3 ist eine flächige Elek­ trode 17 vorgesehen, deren Elektrodenfläche quer zur Längsachse des Einleitungsstutzens 9 und damit der Einströmungsrichtung steht. Die Elektrode weist eine Kegelform auf, deren Spitze zur Stirnplatte 5 zeigt. Ein ringförmiger Randbereich 19 ist zur Stirnplatte 5 hin umgebogen und erstreckt sich im wesentlichen parallel zur Längsachse der kegelför­ migen Elektrode 17. Die Längserstreckung des Rand­ bereichs 19 entspricht im wesentlichen der Höhe der kegelförmigen Elektrode 17. Damit besitzt die Elek­ trode 17 im Querschnitt eine M-Form. Als vorteil­ haft hat sich ein ebenfalls als Öffnungswinkel be­ zeichneter von einer Mantelfläche der kegelförmigen Elektrode eingeschlossener Winkel β von 100° bis 140° herausgestellt. Die Kegelelektrode 17 ist ebenfalls mit der nicht dargestellten Hochspan­ nungsquelle verbunden, wobei die beiden Elektroden 15, 17 unterschiedliche Polarität aufweisen müssen.

Die Fig. läßt noch erkennen, daß der Durchmesser der kegelförmigen Elektrode 17 deutlich größer ist als der größte Innendurchmesser der Ringelektrode 15. Der Durchmesser der kegelförmigen Elektrode 17 ist jedoch geringfügig kleiner als der entspre­ chende Innendurchmesser des Gehäuses 3, so daß ein Ringspalt 21 gebildet wird.

Auf der der Stirnplatte 5 abgewandten Seite der ke­ gelförmigen Elektrode 17, im folgenden kurz Kegel­ elektrode genannt, ist eine Gasableitungsvorrich­ tung 23 vorgesehen, die ein Gehäuse 25 und eine Leitung 27 umfaßt. Das vorzugsweise zylindrische Gehäuse 25 weist eine an die Form der Kegelelek­ trode 17 angepaßte ebenfalls kegelförmige Stirnflä­ che 29 auf. Die gegenüberliegende Stirnseite des Gehäuses 25 wird von einem Abscheideelement 31 ver­ schlossen. Das Abscheideelement 31 ist vorzugsweise als Drahtgeflecht oder als Polyestergarn/-vlies ausgebildet und für ein gasförmiges Medium durch­ lässig.

Einem von Gehäuse 25 und den beiden Stirnflächen 31 und 29 begrenzten Raum 33 entspringt die Leitung 27, die durch das Gehäuse 3 hindurch nach außen ge­ führt ist.

Eine weitere nach außen führende Leitung 35 ist im Gehäuse 3 im Bereich der Stirnplatte 5 vorgesehen. Diese Leitung 35 führt zurück zu einem Ölsumpf des Motors und dient der Rückführung des von der Kegel­ elektrode 17 gesammelten Öls.

In der Figur ist nicht zu erkennen, daß die dem Einleitungsstutzen 9 zugewandte Fläche der Kegel­ elektrode 17 so ausgebildet sein muß, daß ein Ab­ laufen des auf der Elektrode gesammelten Öls in Richtung der Leitung 35 gewährleistet ist.

Die Funktion der Ölabscheidevorrichtung 1 stellt sich nun wie folgt dar:
Das zu reinigende Öl-Gas-Gemisch tritt in den An­ schlußstutzen 7 und strömt in Richtung des Gehäu­ seinneren, wie durch einen Pfeil 37 angedeutet. Bei erreichen des Einleitungsstutzens 9 kommt das Öl- Gas-Gemisch in den Wirkungsbereich der Ringelek­ trode 15, die die Öl- und Flüssigkeitströpfchen elektrisch auflädt. Durch die Vergrößerung des durchströmten Querschnitts vermindert sich die Strömungsgeschwindigkeit des in den Innenraum des Gehäuses strömenden Gases, so daß die Durchlaufzeit durch die Elektrode erhöht wird mit dem Resultat einer Steigerung der Anzahl der aufgeladenen Öl- und Flüssigkeitströpfchen.

Stromabwärts der Ringelektrode 15 prallt das Öl- Gas-Gemisch auf die dem Einleitungsstutzen 9 zuge­ wandte Fläche der Kegelelektrode 17. Aufgrund der umgekehrten Polarität zieht diese Kegelelektrode 17 die aufgeladenen Öl- und Flüssigkeitströpfchen an und sorgt dafür, daß sie aus dem in Richtung des Ringspalts 21 strömenden Gases separiert werden. Bei der Einstellung der Aufprallgeschwindigkeit des Öl-Gas-Gemisches ist darauf zu achten, daß die von der Elektrode ausgeübte auf die Öltröpfchen wir­ kende elektrostatische Kraft größer ist als die vom über die Elektrode hinwegstreichenden Gas-Stroms ausgeübte Kraft.

Die von der Kegelelektrode 17 gesammelten Öl- und Flüssigkeitströpfchen bilden größerwerdende Flüs­ sigkeitstropfen, die der Schwerkraft folgend über eine geeignete Geometrie der Kegelelektrode 17 ab­ tropfen und über die Leitung 35 dem Motor wieder zugeführt werden.

Der zumindest zu einem großen Maße von Öl und Flüs­ sigkeit befreite Gas-Strom strömt an der Gegenelek­ trode radial nach außen, passiert den Randbereich 19 und durchströmt den Ringspalt 21 in Richtung der der Stirnplatte 5 gegenüberliegende Seite des Ge­ häuses 3. Der umgebogene Randbereich 19 dient be­ züglich des Gas-Stroms als Hindernis und Bremse so daß die aufgeladenen Öl- und Flüssigkeitströpfchen ausreichend lange im Wirkungsbereich der Kegelelek­ trode sich befinden, um von dieser auch tatsächlich eingefangen zu werden.

Nachdem das Gas den Ringspalt 21 passiert hat, strömt es in Richtung des Innenraums 33 der Gasab­ leitungsvorrichtung 25 und durchströmt dabei das Abscheideelement 31. Dieses aus Drahtgeflecht oder Polyestergarn/-vlies bestehende Abscheideelement dient dazu, noch vorhandene Flüssigkeits- und Öl­ rückstände aus dem Gas-Strom zu separieren.

Aus dem Innenraum 33 strömt das gereinigte Gas in die Leitung 27 und über diese aus der Ölabscheide­ vorrichtung und zurück zum Verbrennungsprozeß.

Mit Hilfe dieser Ölabscheidevorrichtung ist es mög­ lich, Restmengen von nicht abgeschiedenem Öl im Öl- Gas-Gemisch von weniger als 0,015 g/kw/h zu erzie­ len. Darüber hinaus ist die Ölabscheidevorrichtung aufgrund ihres einfachen und kompakten Aufbaus bei­ spielsweise bei Zylinderkopfhauben in das Spritz­ gußteil der Haube integrierbar. Im übrigen lassen sich auch sehr einfach in Serie befindliche Motoren mit dieser Ölabscheidevorrichtung nachrüsten, da sich hier die eingesetzten Bauteile leicht in den zur Verfügung stehenden Einbauraum anpassen lassen.

Claims (16)

1. Ölabscheidevorrichtung, insbesondere für Ver­ rennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, zur Abscheidung von Öl aus einem Öl-Gas-Gemisch, mit einem in einem Gehäuse (3) angeordneten Ölabschei­ deelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Ölab­ scheideelement eine erste (15) und eine zweite (17) jeweils mit einer Hochspannungsquelle verbundene Elektrode aufweist, wobei beide im Strömungsweg des Öl-Gas-Gemisches angeordnet und unterschiedlicher Polarität sind.

2. Ölabscheidevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (15) als rohrförmige Ringelektrode ausgebildet ist, die von dem Öl-Gas-Gemisch durchströmbar ist.

3. Ölabscheidevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (17) flächig ausgebildet ist und stromabwärts der ersten Elektrode (15) liegt.

4. Ölabscheidevorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (17) quer zur Strömungsrichtung des Öl-Gas-Gemisches angeordnet ist, so daß das Ge­ misch auf die Elektrode (17) prallt.

5. Ölabscheidevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelektrode (15) eine in Strömungsrichtung zunehmende Strömungsquerschnitts­ fläche aufweist.

6. Ölabscheidevorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Öffnungswinkel (α) der Ringelektrode (15) 10° bis 20° beträgt.

7. Ölabscheidevorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (17) kegelförmig ausgebildet ist.

8. Ölabscheidevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der von einer Mantelfläche der kegelförmigen Elektrode (17) eingeschlossene Winkel (β) 100° bis 140° beträgt.

9. Ölabscheidevorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze der kegel­ förmigen Elektrode in Richtung der ersten Elektrode (15) zeigt.

10. Ölabscheidevorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (15; 17) so zueinander angeordnet sind, daß deren Symmetrieachsen zusammenfallen.

11. Ölabscheidevorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (17) einen parallel zur Symmetrie­ achse verlaufenden zur ersten Elektrode (15) hin umgebogenen Rand (19) aufweist.

12. Ölabscheidevorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweiten Elektrode (17) eine Abflußvorrichtung (35) zugeordnet ist, die von der zweiten Elektrode (17) abfließendes Öl aufnimmt und abtransportiert.

13. Ölabscheidevorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweiten Elektrode eine Gasableitungsvorrichtung (23) zugeordnet ist, durch die das gereinigte Gas aus der Ölabscheidevorrichtung strömt.

14. Ölabscheidevorrichtung nach Anspruch 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Gasableitungsvorrich­ tung (23) ein Gehäuse (25) aufweist, dem eine Lei­ tung (27) entspringt, die aus der Ölabscheidevor­ richtung (1) führt.

15. Ölabscheidevorrichtung nach Anspruch 14, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (25) der Gasableitungsvorrichtung (23) von einem weiteren Abscheideelement (31), vorzugsweise in Form eines Drahtgeflechts und/oder eines Polyestergarns/-vlies, abgeschlossen ist.

16. Ölabscheidevorrichtung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Kunststoff besteht.