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Die Erfindung betrifft eine Ölabscheidevorrichtung zur Reinigung von Kurbelgehäuse-Entlüftungsgasen, aufweisend ein Gehäuse, welches einen mit einem Kurbelgehäuse strömungsverbindbaren Gaseinlass und einen mit einem Ansaugbereich einer Brennkraftmaschine strömungsverbindbaren Auslass aufweist, und einen zwischen dem Gaseinlass und dem Auslass in dem Gehäuse angeordneten Ölabscheider, wobei sich innerhalb des Gehäuses ein mit dem Gaseinlass strömungsverbundener Gasführungskanal erstreckt, wobei an einem dem Gaseinlass abgewandten Längsende des Gasführungskanals eine Mündung ausgebildet ist, an welcher eine tellerförmig ausgebildete Drosselmembran angeordnet ist, die in Längsrichtung des Gasführungskanals zwischen einer Schließstellung, in welcher die Drosselmembran auf einem Rand der Mündung des Gasführungskanals aufliegt und die Mündung verschließt, und einer Öffnungsstellung, in welcher ein ringförmiger Düsenspalt zwischen dem Rand der Mündung und der Drosselmembran gebildet ist, in dem Gehäuse bewegbar gelagert ist, wobei der Gasführungskanal zumindest abschnittsweise von einem mit dem Auslass strömungsverbundenen Auslasskanal umgeben ist und der Gasführungskanal und der Auslasskanal einen Ringspalt bilden, durch welchen in Öffnungsstellung der Drosselmembran Kurbelgehäuse-Entlüftungsgase von dem Gasführungskanal über den Düsenspalt in den Ringspalt strömen können, wobei der Ölabscheider an dem Auslasskanal innenseitig des Ringspalts und in einem quer zur Längsrichtung des Gasführungskanals verlaufenden Strömungsweg der durch den Düsenspalt hindurchströmenden Kurbelgehäuse-Entlüftungsgase angebracht ist, und wobei das Gehäuse eine Zusatzöffnung aufweist, an welcher ein Referenzdruck auf der dem Gasführungskanal abgewandten Seite der Drosselmembran anlegbar ist.
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Bei der Reinigung von Kurbelgehäuseentlüftungsgasen geht es um die Phasentrennung einer dispersen Phase in Form von kleinen Öltropfen in der Größenordnung von 1μm und kleiner, die in der gasförmigen Phase des Entlüftungsgases verteilt sind. Dieser physikalische Vorgang der Phasentrennung wird als Ölabscheidung bezeichnet, für die eine kontinuierliche Energiezufuhr (Leistungszufuhr) erforderlich ist. Jeder passiv-angetriebene Ölabscheider entnimmt dabei dem Kurbelgehäuse-Entlüftungssystem einen bestimmten Anteil der zur Verfügung stehenden Leistung in Form eines Druckverlusts, der sich beispielsweise beim Durchströmen der Poren eines Filters oder beim Durchströmen eines Zyklons ergibt. Je mehr Leistung der Ölabscheider aufnimmt, desto größer ist das Potential für einen hohen Ölabscheidegrad. Die zur Verfügung stehende Leistung im Kurbelgehäuse-Entlüftungssystem ist jedoch begrenzt und zudem in Abhängigkeit des Motorbetriebszustands stark schwankend.
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Zur Ölabscheidung sind insbesondere im Automobilbereich verschiedene Bauarten von Ölabscheidern bekannt, die im Sinne der Erfindung in geregelte und ungeregelte Ölabscheider gemäß den nachstehenden Ausführungen unterschieden werden.
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Ungeregelte Ölabscheider im Sinne der Erfindung weisen keinen Regelkreis mit Regel- und Stellgröße zur variablen Anpassung des Druckverlusts auf. Ein ungeregelter Ölabscheider wird von den Entlüftungsgasen durchströmt und weist bei einem bestimmten Volumenstrom immer denselben Druckverlust auf, der mit steigendem Volumenstrom nach einer Ölabscheider-spezifischen Druckverlustkennlinie kontinuierlich ansteigt. Der Kurbelgehäusedruck einer Brennkraftmaschine schwankt und ergibt sich aus dem vom Entlüftungsvolumenstrom abhängigen Druckverlust des Ölabscheiders und des Saugrohrunterdrucks
(Saug(rohr)unterdruck – Druckverlust = Kurbelgehäusedruck; der zur Verfügung stehende Saugunterdruck entspricht nur näherungsweise dem Saugrohrunterdruck, wenn kein zusätzlicher Unterdruckerzeuger zwischengeschaltet ist).
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Gemäß gesetzlicher Vorschrift und Motorenhersteller-Spezifikation dürfen keine unzulässigen Kurbelgehäuse-Überdrücke entstehen. Da der Kurbelgehäusedruck von den Eingangsgrößen Saugrohrdruck und Ölabscheider-Druckverlust abhängig ist, muss der Ölabscheider-Druckverlust bei ungeregelten Ölabscheidern sehr gering gehalten werden, damit auch bei Motorbetriebszuständen, bei denen nur ein sehr geringer Saugrohrunterdruck zur Verfügung steht (hohe Last, geringe Drehzahl), der Kurbelgehäusedruck möglichst im Unterdruckbereich gehalten wird. Bei Motorbetriebszuständen hingegen, bei denen hohe Saugrohrunterdrücke zur Verfügung stehen und nur geringe Entlüftungsgasvolumenströme vorliegen (geringe Last, hohe Drehzahl) wäre ein höherer Druckverlust des Ölabscheiders vorteilhaft, um die zur Verfügung stehende Leistung (Saugrohrunterdruck x Blow-By-Volumenstorm = zur Verfügung stehende Leistung) für die Ölabscheidung zu nutzen. Da sich die auf geringe Druckverluste ausgelegte Druckverlustkennlinie eines ungeregelten Ölabscheiders nicht ändern kann, können die höheren zur Verfügung stehenden Leistungen in bestimmten Motorbetriebszuständen für die Ölabscheidung je nach Motor nur zu einem sehr geringen Anteil genutzt werden.
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Mit den bisherigen bekannten, ungeregelten Ölabscheidern (ungeschalteter oder geschalteter Zyklonabscheider, Polyswirl®, Impaktor und andere) kann je nach Motor, insbesondere bei höheren Drehzahlen, die zur Verfügung stehende Leistung nur zu einem geringen Bruchteil für die Ölabscheidung genutzt werden, obwohl zur effektiven Abscheidung des Öleintrags, der mit steigender Drehzahl und Last zunimmt, ein höherer Leistungsaufnahmeanteil erforderlich wäre, um einen Anstieg des Ölverbrauchs zu verhindern.
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Bisherige ungeregelte Ölabscheider machen ein zusätzliches Unterdruckbegrenzungsventil ("Druckregelventil") erforderlich, wenn die durch die motorbauartbedingte im Kurbelgehäuse vorhandene Leistung deutlich höher ist als die vom ungeregelten Ölabscheider genutzte Leistung und die nicht genutzte Leistung zu einem unzulässig hohen Kurbelgehäuseunterdruck führen würde.
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Ferner können ungeregelte Ölabscheider ihren Druckverlust nicht automatisch an variierende Randbedingungen (Saug(rohr)unterdruck, Volumenstrom) anpassen.
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Zur Reinigung von mit Ölpartikeln verunreinigten Kurbelgehäuseentlüftungsgasen werden für Serienanwendungen bislang ungeregelte Ölabscheider eingesetzt, die die Ölpartikel teilweise in Form eines Ölnebels abscheiden. Diese ungeregelten Ölabscheider basieren teilweise auf dem Trägheitsprinzip, bei dem durch eine scharfe Umlenkung der Kurbelgehäuse-Entlüftungsgase, beispielsweise innerhalb eines Zyklons, die Ölnebelpartikel der Strömung nicht mehr folgen können und herausgeschleudert werden. Des Weiteren sind Ölabscheider bekannt, die auf dem Prinzip eines Diffusionsabscheiders basieren. Ein Ölabscheider der sowohl auf dem Prinzip eines Diffusionsabscheiders als auch auf dem Prinzip eines Trägheitsabscheiders basiert, ist aus
DE 37 015 87 C1 bekannt. Bei diesem Ölabscheider ist einem Zyklon als Trägheitsabscheider ein Filter aus einem synthetischen Vlies oder Metallgestrick, der auf dem Diffusionsabscheider-Prinzip basiert, vorgeschaltet.
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Bei ausschließlich durchströmten Filtern besteht jedoch die Gefahr, dass diese sich über die Zeit mit Verunreinigungen zusetzen können und daher, wie bei Motorölfiltern von Brennkraftmaschinen allgemein bekannt, nicht wartungsfrei sind. Nach dem das Kurbelgehäuse-Entlüftungsgas aus dem Zyklon herausströmt, strömt es durch ein Unterdruckbegrenzungsventil, welches auch als Druckregelventil bezeichnet wird. Die Erforderlichkeit von Unterdruckbegrenzungsventilen ist ein charakteristischer Nachteil von ungeregelten Ölabscheidern. Da ungeregelte Ölabscheider in den meisten Motorbetriebszuständen die zur Verfügung stehende Kurbelgehäuse-Entlüftungsleistung nur zu einem geringen Anteil zur Ölabscheidung nutzen können, muss die überschüssige Leistung durch den zusätzlichen Strömungswiderstand eines Unterdruckbegrenzungsventils abgebaut werden. Ohne ein solches Unterdruckbegrenzungsventil kann die bei ungeregelten Ölabscheidern überschüssige Leistung je nach Motor und Auslegung des Ölabscheiders zu einem unzulässig hohen Kurbelgehäuseunterdruck führen, durch den Dichtungen und druckempfindliche Bauteile überbelastet werden können.
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Eine Weiterentwicklung eines ungeregelten Ölabscheiders ist in der
EP 2 052 136 B1 beschrieben. Bei diesem Ölabscheider sind zur Effizienzsteigerung mehrere kleinere, tangential angeströmte Durchflussrohre parallelgeschaltet, von denen einige an der Gasauslassseite mit einem Ventil ausgerüstet sind, das in Abhängigkeit des Strömungsdrucks öffnet. Durch das parallele Hinzuschalten weiterer Durchflussrohre kann die zur Ölabscheidung nach dem Trägheitsprinzip erforderliche hohe Strömungsgeschwindigkeit in den Durchflussrohren über einen größeren Volumenstrombereich auf einem näherungsweise gleichbleibenden Niveau gehalten werden, wodurch sich ein entsprechend gleichbleibend hoher Ölabscheidegrad ergibt. Auch wenn über die Hinzuschaltung weiterer Durchflussrohre der Druckverlust begrenzt bzw. dessen Anstieg verringert werden kann, handelt es sich bei diesem geschalteten Ölabscheider aus Sicht der Regelungstechnik nicht um einen geregelten Ölabscheider, da das Hinzuschalten zusätzlicher Durchflussrohre direkt vom Volumenstrom und dem daraus resultierenden Strömungsdruck am Ventil abhängig ist.
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Zur Lösung des Problems der vollständigen Nutzbarmachung der im Kurbelgehäuse-Entlüftungssystem zur Verfügung stehenden Leistung auch bei unabhängig voneinander schwankenden Entlüftungsvolumenströmen und Saugrohrunterdrücken (zur Verfügung stehende Leistung im Kurbelgehäuseentlüftungssystem = Saugrohrunterdruck x Blow-By-Volumenstorm) zur Ölabscheidung ist in der
DE 44 04 709 C1 ein geregelter Flüssigkeitsabscheider veröffentlicht, der auf einem Zyklon basiert, dessen tangentialer Einlassquerschnitt über eine pneumatische Verstell-Vorrichtung, bestehend aus einer Druckdose und einem Stellglied, in seiner Breite variabel ist. Der Nachteil dieses Systems ist der technische Aufwand zur Gewährleistung der beabsichtigten Funktion. Das Stellglied wird von einer separaten Druckdose angetrieben und muss zusätzlich über elastisch nachgiebige Anströmflächen und Abströmflächen zur Innenwandung abgedichtet werden. Zusätzlich muss das Stellglied die Wandung zur tangentialen Einlassöffnung gasdicht durchdringen. Eine solche gasdichte Ausführung erfordert jedoch sehr enge Toleranzen und erhöht damit gleichzeitig die Gefahr, dass bei geringen Störeinflüssen, wie beispielsweise durch Verunreinigungen, Bauteilverzug oder Wärmeausdehnungsdifferenzen, die Reibung bis zum vollständigen Blockieren ansteigt und die Funktion nicht mehr gewährleistet ist.
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In
DE 11 2007 003 054 B4 ist ein Gas-Flüssigkeitsabscheider zur Abscheidung von Öl aus Kurbelgehäuse-Entlüftungsgasen eines Verbrennungsmotors beschrieben, der ebenfalls eine Druckdose, aufweist, die eine Aktorscheibe betätigt. Die Aktorscheibe bewegt sich quer zur Strömungsrichtung und gibt in Abhängigkeit der Druckdifferenz aus Kurbelgehäusedruck und Atmosphärendruck unterschiedliche Strömungsquerschnitte frei. Der Nachteil dieses durch den Differenzdruck geregelten Ölabscheiders besteht darin, dass die Aktorscheibe über eine Fläche im Inneren des Gehäuses gezogen und dabei eine Haft- und Gleitreibung überwunden werden muss, die nicht nur von der Oberflächenbeschaffenheit abhängig ist, sondern vor allem auch von der auf die Aktorscheibe wirkenden Kraft, die mit höherem Druckverlust infolge kleinerer eingeregelter Strömungsquerschnitte ansteigt. Durch die Reibung ergibt sich eine Regelungshysterese (geringerer Hub des Aktors), wodurch der Regelungsbereich reduziert ist.
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Eine Ölabscheidevorrichtung der eingangs bezeichneten Art ist ferner aus der
DE 10 2014 223 291 A1 bekannt. Bei dieser Ölabscheidevorrichtung wird ein einzelner Impaktor eingesetzt, dessen Tellerventil mit einer Membran verbunden ist, die auf der Innenseite mit den Kurbelgehäusegasen in Kontakt steht und auf der Außenseite bevorzugt atmosphärischem Umgebungsdruck als Referenzdruck ausgesetzt ist. Hierdurch ergibt sich eine Regelung, die bei erhöhter Leistung einer Saugstrahlpumpe (und infolgedessen höherem erzeugten Saugunterdruck) den Öffnungsquerschnitt des Ölabscheiders reduziert, so dass die Druckdifferenz an dem Ölabscheider ansteigen kann und somit sich die Ölabscheidung verbessert. Hierbei wird zwar nicht die Regelung durch die im Betrieb auftretenden Reibungskräfte oder Abdichtungsprobleme beeinträchtigt. Nachteilig ist bei dieser Ölabscheidevorrichtung jedoch, dass der Regelungsbereich eingeschränkt, weil stets ein Volumenstromanteil in allen drei beschriebenen Arbeitsbereichen der Ölabscheidevorrichtung durch permanent geöffnete Durchtrittsöffnungen strömt. Diese permanent geöffneten Durchtrittsöffnungen sind in einer Wand eines Zylinders ausgebildet, durch den das Blow-By-Gas in Richtung des Impaktors strömt. Dabei ist das Tellerventil am Kopfende des Zylinders angeordnet, wobei er in Längsrichtung des Zylinders bewegbar gelagert ist, um entweder das Kopfende des Zylinders abzudichten, so dass das Blow-By-Gas ausschließlich durch die permanent geöffneten Durchtrittsöffnungen strömt, oder um von dem Kopfende abgehoben zu werden, um einen zusätzlich Querschnitt zu dem von den permanent geöffneten Durchtrittsöffnungen gebildeten Querschnitt freizugeben. Der Verschlussteller ist hierbei als Regler mit Atmosphärendruck als Referenzdruck beaufschlagt. Von Nachteil ist es hierbei, dass der durch die permanent geöffneten Durchtrittsöffnungen eingeschränkte Regelbereich dazu führen kann, dass bei sehr geringem oder keinem Kurbelgehäuse-Entlüftungsgas-Volumenstrom der Druckverlust der permanent geöffneten Durchtrittsöffnungen nicht groß genug ist bzw. gar kein Druckverlust erzeugt wird und sich der Saugunterdruck zu einem unzulässig hohen Anteil oder vollständig bis ins Kurbelgehäuse überträgt. Diese Gefahr besteht insbesondere dann, wenn der Auslass dieses Abscheiders über eine Leitung mit dem Ansaugbereich insbesondere eines Ottomotors stromabwärts hinter der Drosselklappe verbunden werden würde oder mit einem sehr leistungsfähigen Unterdruckerzeuger verbunden wäre. In einem solchen Fall wäre ein zusätzliches Unterdruckbegrenzungsventil erforderlich, welches die zur Verfügung stehende Leistung am Abscheider für die Ölnebelabscheidung reduzieren würde. Zudem ist die mit dem Tellerventil verbundene Membran bei hohen Saugunterdrücken entsprechend hohen Kräften ausgesetzt, die zu einer Überbelastung der Membran führen können, wenn zur Regelung als Referenzdruck auf der den Kurbelgehäusegasen abgewandten Seite Atmosphärendruck anliegt. Auch wenn über die Ölabscheidevorrichtung ein Überdruck im Kurbelgehäuse vermieden werden soll, so wird der Verschlussteller mit angebundener Membran und Atmosphärendruckbeaufschlagung erst bei höheren Drücken als dem Atmosphärendruck (also bei Überdrücken im Kurbelgehäuse) abheben und öffnen. Der erforderliche Überdruck zum Abheben bzw. Öffnen des Verschlusstellers steigt dabei mit zunehmendem Saugunterdruck an und wird zusätzlich durch die in Schließrichtung wirkenden Federkräfte der Feder erhöht. Da die Durchtrittsöffnungen permanent einen Durchströmungsquerschnitt freigeben, findet eine vollständige Regelung des gesamten Durchströmungsquerschnitts im eigentlichen Sinne nicht statt.
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Ferner ist ein geregelter Abscheider mit uneingeschränktem Regelbereich aus der
EP 2 531 273 B1 bekannt. Die Regelung dieses Ölabscheiders basiert auf einer Membran, die sich entlang der Längsachse über ein Zylinderrohr bewegen kann. Die in Form einer Rollmembran ausgebildete Membran kann bei ihrer Bewegung eine oder mehrere Durchströmungsöffnungen in Form von Schlitzen in Längsrichtung abdecken oder freigeben, wobei die Durchströmungsöffnungen in der Wand des Zylinderrohres ausgebildet sind und zur Prallfläche an der Innenwand eines äußeren Rohres führen. Dadurch, dass die als Rollmembran ausgeführte Membran nur im Bereich der Schlitze den resultierenden Kräften aus der Druckdifferenz des Saugunterdrucks und des Kurbelgehäusedrucks ausgesetzt ist, kann die mechanische Belastung des Membran-Materials geringgehalten werden. Zudem verläuft die aus der Druckdifferenz des Saugunterdrucks und des Kurbelgehäusedrucks resultierende Kraft quer zur Bewegungsrichtung der Membran, so dass diese Kraft die Regelung nicht negativ beeinflusst. Jedoch ist der benötigte Einbauraum für diesen Ölabscheider verhältnismäßig groß. Ein weiterer Nachteil eines solchen Ölabscheiders besteht darin, dass die Rollmembran knittern oder falsch abrollen kann und, wie allgemein bei Rollmembranen bekannt, das Druckgefälle nur in eine Richtung wirken darf, da sonst die Gefahr eines Umstülpens der Rollmembran besteht, was zum Beispiel bei einer Dichtheitsprüfung des Ölabscheiders mit Überdruck eintreten kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Lösung zu schaffen, die auf konstruktiv einfache Weise eine Ölabscheidevorrichtung bereitstellt, mit welcher auch bei schwankenden Drücken und schwankenden Entlüftungsgas-Volumenströmen eine gute Ölabscheidung erzielt werden kann.
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Bei einer Ölabscheidevorrichtung der eingangs bezeichneten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Drosselmembran radial über Ringspalt hinaus erstreckend ausgebildet ist und einen randseitig angeformten Dichtbereich aufweist, der dichtend in einer in dem Gehäuse ausgebildeten Ausnehmung derart angeordnet ist, dass die Drosselmembran die Zusatzöffnung von dem Gaseinlass strömungstechnisch trennt.
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Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Durch die Erfindung wird eine Ölabscheidevorrichtung zur Reinigung von Kurbelgehäuse-Entlüftungsgasen zur Verfügung gestellt, die sich durch eine funktionsgerechte Konstruktion auszeichnet und einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweist. Vorteilhaft benötigt die erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung gegenüber ungeregelten Ölabscheidevorrichtungen kein Druckregelventil nach allgemein bekanntem Stand der Technik (siehe zum Beispiel Handbuch Verbrennungsmotor, Vieweg + Teubner Verlag, Auflage 2002, Seite 144, Bild 7–78), so dass Anzahl der Bauteile und Herstellungskosten im Vergleich zu ungeregelten Ölabscheidevorrichtungen reduziert sind. Der Entfall eines Druckregelventils wirkt sich ferner vorteilhaft auf eine Vereinfachung des Designs (zum Beispiel für die Zylinderkopfhaube) und des Montageaufwands aus. Die erfindungsgemäße geregelte Ölabscheidevorrichtung passt sich zeitlich variierenden Randbedingungen automatisch an und vermeidet Überdrücke in kritischen Kennfeldbereichen trotz maximaler Nutzung der Leistung in allen Kennfeldbereichen. Ferner weist die erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung im Vergleich zu bekannten Ölabscheidevorrichtungen weniger mechanisch bewegliche Bauteile auf, die darüber hinaus geringeren Toleranzanforderungen unterliegen. Im Unterschied zu Ölabscheidevorrichtungen mit einer Rollmembran herrschen bei der erfindungsgemäßen Ölabscheidevorrichtung keine Haft- oder Gleitreibungskräfte beim Verstellen der Drosselmembran bzw. des Querschnitts des Düsenspalts, da die Querschnittsänderung des Düsenspalts durch kontaktfreie Abstandsänderung zwischen dem umlaufenden Ansatz der Drosselmembran und dem Rand der Mündung des Gasführungskanals erfolgt. Nur sofern ein Saugunterdruck vorliegt und gleichzeitig kein Kurbelgehäuseentlüftungsgas-Volumenstrom vom Motor erzeugt wird, kommt es zum Kontakt und der erforderlichen Abdichtung zwischen einem umlaufenden Ansatz der Drosselmembran und dem Rand der Mündung des Gasführungskanals, wie nachfolgenden näher beschrieben ist. Die erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung zur Reinigung von Kurbelgehäuse-Entlüftungsgasen weist zur geregelten Ölabscheidung neben dem Trägheitsabscheider die Drosselmembran auf. Das Gehäuse der Ölabscheidevorrichtung weist den Gaseinlass auf, der ist mit dem Kurbelgehäuse strömungsverbindbar, so dass durch den Gaseinlass mit Ölpartikeln verunreinigtes Gas in das Gehäuse der Ölabscheidevorrichtung einströmt. Ferner weist die Ölabscheidevorrichtung einen Auslass auf, der mit einem Ansaugbereich eines Verbrennungsmotors, wie beispielsweise einem Saugrohr, verbindbar ist. Über einen gesonderten weiteren Auslass oder eine Abzweigung des Auslasses erfolgt vorzugsweise eine Ölab- bzw. eine Ölrückführung. Vorzugsweise wird das abgeschiedene Öl in das Kurbelgehäuse zurückgeführt.
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In Strömungsrichtung des Kurbelgehäuse-Entlüftungsgases ist dem Auslass ein Ölabscheider vorgelagert. Dieser Ölabscheider weist insbesondere zum Abscheiden feiner Öltröpfchen vorzugsweise eine abscheidungswirksame Funktionsfläche, vorzugsweise ein Textil, auf. Als Ölabscheider könnte jedoch auch ein ausschließlich oder zusätzlich nach dem Prinzip der Trägheits-Ölabscheidung arbeitender Ölabscheider wie zum Beispiel ein Zyklon vorgesehen sein.
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Dem Ölabscheider ist in Strömungsrichtung betrachtet eine Drosselmembran vorgelagert. Die Drosselmembran kann je nach Betriebszustand eine düsenförmige Drosselöffnung bzw. einen Düsenspalt ausbilden, wobei der Düsenspalt bevorzugt ein ringförmig ausgebildeter Spalt zwischen dem Rand der Mündung des Gasführungskanals ist. Alternativ könnte die Drosselmembran auch mehrere Einzelöffnungen, Schlitze oder dergleichen ausbilden, wenn sie in ihrer Öffnungsstellung angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist der Durchströmungsquerschnitt des Düsenspalts variabel, d.h. in Abhängigkeit des Motorbetriebszustands stellt sich ein entsprechend dimensionierter Düsenspalt ein.
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Erfindungsgemäß ist die Drosselmembran in ihrer Lage veränderbar bzw. variierbar gelagert. Durch Verändern der Lage bzw. Stellung der Drosselmembran kann der Durchströmungsquerschnitt des Düsenspalts variiert werden. Entsprechend ist die Drosselmembran derart ausgebildet, dass sie in Strömungsrichtung des durch den Gaseinlas in das Gehäuse einströmenden Gas-Ölgemisches bewegbar gelagert ist. Die Strömungsrichtung entspricht hierbei der Längsrichtung des Gasführungskanals, in welchen das Gas-Ölgemisch in das Gehäuse einströmt. Durch ein derartiges Bewegen der Drosselmembran wird der Durchströmungsquerschnitt des Düsenspalts variiert. Auf Grund der Bewegung in Strömungsrichtung weist die erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung den Vorteil auf, dass beispielsweise auftretende Reibung beim Verschieben der Drosselmembran so gut wie gar nicht vorhanden ist, und falls minimalen Reibungskräfte auftreten bleiben diese unabhängig von der Druckdifferenz zwischen Saugdruck und Kurbelgehäusedruck auf konstantem Niveau. Die von Druckdifferenzen des strömenden Gas-Ölgemisches hervorgerufenen Kräfte in Kombination mit den vom Saugrohr bewirken Kräften wirken in oder entgegen der Bewegungsrichtung der Drosselmembran und bewirkten somit im Unterschied zu senkrecht oder unter einem Winkel wirkenden Kräften in Bezug auf die Bewegungsrichtung der Drosselmembran keine Veränderung der auftretenden Reibung.
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Die Drosselmembran ist in Ausgestaltung der Erfindung rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei es bevorzugt ist, dass die Symmetrieachse der Drosselmembran in axialer Richtung, d.h. in Hauptströmungsrichtung des einströmenden Gases, verläuft. Alternativ könnte die Drosselmembran auch unsymmetrisch ausgebildet sein.
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Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die Drosselmembran im Wesentlichen tellerförmig ausgebildet ist.
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Unabhängig von der Ausgestaltung des Drosselkörpers ist es bevorzugt, dass die Strömungsrichtung des Gas-Ölgemisches im Gaseinlass axial bzw. parallel zur Bewegungsrichtung der Drosselmembran verläuft. Dabei erfolgt die Durchströmung des Düsenspalts gleichmäßig über dessen Umfang in radialer Richtung zur Drosselmembran. Auf Grund des bevorzugten gleichmäßig über den Umfang verlaufenden Düsenspalts heben sich die radialen Kräfte an der Drosselmembran gegenseitig auf. Hierdurch werden Querkräfte an der Drosselmembran und die damit verbundenen Reibungskräfte an einer Gehäuseinnenseite oder einer Führungsschiene vermieden.
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Da erfindungsgemäß an der dem Gasführungskanal abgewandten Seite bzw. Seitenfläche der Drosselmembran Atmosphärendruck herrschen soll, weist das Gehäuse eine Zusatzöffnung auf, an welcher Atmosphärendruck anliegt bzw. die mit einem Bereich verbunden ist, in dem Atmosphärendruck herrscht. Insbesondere kann die Zusatzöffnung mit der Umgebung verbunden sein.
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Ferner ist es möglich, dass dem Ölabscheider nachgelagert ein zusätzlicher Unterdruck erzeugt wird. Dies kann dadurch erfolgen, dass der Auslass mit einem Unterdruckerzeuger verbunden ist bzw. dass von einem Unterdruckerzeuger in diesem Bereich Unterdruck erzeugt wird. Als geeigneter Unterdruckerzeuger kann beispielsweise eine Saugstrahlpumpe vorgesehen sein. Hierdurch ist es möglich, die Leistungsaufnahme der Ölabscheidevorrichtung über die motorbauartbedingte vorhandene Leistung hinaus zu Gunsten einer vollständigen bzw. verbesserten Ölabscheidung zu steigern.
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Zur Abscheidung des durch den Düsenspalt gelangenden Öls ist dem Drosselspalt in Strömungsrichtung ein Ölabscheider nach dem Trägheitsprinzip und/oder nach dem Diffusionsprinzip nachgeordnet angeordnet. Dabei kann ein Filterelement als Diffusionsabscheider vorgesehen sein, wobei das Filterelement ringförmig oder bandförmig ausgebildet sein kann.
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Die Erfindung sieht in Ausgestaltung vor, dass die Drosselmembran einen umlaufenden Ansatz aufweist, welcher auf der dem Gasführungskanal zugewandten Seite der Drosselmembran ausgebildet ist und welcher in Schließstellung der Drosselmembran auf dem Rand der Mündung des Gasführungskanals aufliegt, wobei in Öffnungsstellung der Drosselmembran der Düsenspalt zwischen dem Rand der Mündung und dem umlaufenden Ansatz der Drosselmembran ausgebildet ist. Der Ansatz stellt folglich eine definierte Kontur dar, die in Schließstellung der Drosselmembran mit dem Rand der Mündung in Kontakt steht und eine Strömung der Kurbelgehäuse-Entlüftungsgase in Richtung des Auslasses unterbindet.
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Von besonderem Vorteil ist es in Ausgestaltung der Erfindung, wenn in radialer Richtung betrachtet zwischen dem Dichtbereich und dem Rand der Mündung eine umlaufende Drosselmembran-Abstützfläche angeordnet ist, auf welcher ein umlaufender und elastisch verformbarer Membranwalkbereich der Drosselmembran, die rotationssymmetrisch ausgebildet ist, zumindest in Schließstellung abgestützt aufliegt. Da sich die Drosselmembran mit Bezug auf den Gasführungskanal bzw. den Auslasskanal radial über den Ringspalt hinweg nach außen erstreckt, ist zumindest der Abschnitt der Drosselmembran, der sich über dem Ringspalt erstreckt, normalerweise einem am Auslass erzeugten Saugunterdruck ausgesetzt, der diesen Abschnitt der Drosselmembran in Richtung des Auslasses bzw. in Richtung der Schließstellung der Drosselmembran ziehen würde, wodurch der Düsenspalt verkleinert werden könnte. Der Saugunterdruck am Auslass stellt folglich eine Störgröße dar, die das Regelverhalten der Drosselmembran verschlechtert. Die Drosselmembran-Abstützfläche wirkt dem entgegen, da sie den Membranwalkbereich, der zumindest einen flexiblen Bereich der Drosselmembran darstellt, der eine Bewegung der Drosselmembran zwischen der Schließstellung in verschiedene Öffnungsstellungen ermöglicht, in Richtung des Auslasses abstützt. In Schließstellung der Drosselmembran liegt der Membranwalkbereich vollständig abgerollt bzw. abgewalkt auf der Drosselmembran-Abstützfläche auf, wohingegen bei einer Bewegung der Drosselmembran aus der Schließstellung in eine Öffnungsstellung der Membranwalkbereich sich quasi abschält.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass sich die Drosselmembran-Abstützfläche radial einwärts bis zu dem umlaufenden Ansatz der Drosselmembran erstreckt. Diese bevorzugte Ausführung weist den Vorteil auf, dass sich ein konstruktiver Freiheitsgrad ergibt, der es erlaubt, den radialen Abstand des Ölabscheiders zum Düsenspalt konstruktiv unabhängig vom Innendurchmesser der Drosselmembran-Abstützfläche anzupassen. Hierdurch ist es möglich, den Abstand der Prallfläche bzw. der abscheidewirksamen Funktionsfläche des Ölabscheiders zum Düsenspalt größer auszuführen als den radialen Abstand des Innendurchmessers der Drosselmembran-Abstützfläche 31, um einerseits den für die Ölnebelpartikelabscheidung optimalen Abstand der Prallfläche bzw. der abscheidewirksamen Funktionsfläche des Ölabscheiders zum Düsenspalt wählen zu können und um andererseits davon unabhängig die Angriffsfläche für den Saugunterdruck, der im Wesentlichen zwischen dem Innendurchmesser der Drosselmembran-Abstützfläche und dem umlaufenden Ansatz liegt, zu Gunsten des optimalen Regelverhaltens so gering wie möglich zu halten.
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Der Atmosphärendruck an der dem Gasführungskanal abgewandten Seite der Drosselmembran dient als Referenzdruck, auf dessen Größenordnung der Kurbelgehäusedruck eingeregelt werden soll. Um dies zu erreichen, sieht die Erfindung in weiterer Ausgestaltung vor, dass der Düsenspalt auf einem auf die Drosselmembran bezogenen Durchmesser angeordnet ist, der höchstens 15% kleiner ist als ein Innendurchmesser der Drosselmembran-Abstützfläche. Hierdurch ergeben sich wirksame Angriffsflächen für den Atmosphärendruck auf der dem Gasführungskanal abgewandten Seite der Drosselmembran, die dem Gasführungskanal zugewandt ist und der Seite der Drosselmembran 10 die dem Kurbelgehäusedruck zugewandt ist. Durch die Dimensionierung der mit dem Kurbelgehäusedruck beaufschlagten Seite der Drosselmembran auf ein Flächenmaß näherungsweise der mit dem Atmosphärendruck beaufschlagten Seite der Drosselmembran ist folglich die verbleibende ringförmige Fläche zwischen der Drosselmembran-Abstützfläche und dem Düsenspalt entsprechend klein. Das hat den Vorteil, dass nur eine geringe ringförmige Angriffsfläche der Membran dem am Auslass erzeugten Saugunterdruck ausgesetzt ist.
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Konstruktiv besonders günstig im Hinblick auf eine kompakte Bauweise ist es, wenn in Ausgestaltung der Erfindung die Drosselmembran-Abstützfläche als ein erster Schenkel eines Profilelements ausgebildet ist, wobei ein zweiter Schenkel eine direkte Prallfläche des Ölabscheiders bildet oder als Anbringungsfläche für eine abscheidewirksame Funktionsfläche dient. Folglich ist der Ölabscheider und die Drosselmembran-Abstützfläche als einteiliges und ringförmig ausgebildetes Bauteil bereitgestellt, wodurch sich der Zusammenbau der modular aufgebauten Ölabscheidevorrichtung erleichtert.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass der Innendurchmesser der Drosselmembran-Abstützfläche kleiner ist als der Innendurchmesser der Prallfläche und kleiner ist als der Innendurchmesser der abscheidewirksamen Funktionsfläche.
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Als günstig im Hinblick auf ein gutes und stabiles Regelverhalten hat es sich für die Auslegung und Dimensionierung der Ölabscheidevorrichtung herausgestellt, dass der Durchmesser des Düsenspalts nur maximal 15% kleiner ist als der Innendurchmesser der Membranwalkbereich-Stützfläche.
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Eine konstruktiv einfache und kompakte Möglichkeit zur Anbringung des Ölabscheiders besteht darin, dass der Ringspalt wenigstens eine Auflagefläche aufweist, auf welcher der Ölabscheider aufliegend gehalten ist.
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Die Erfindung sieht in weiterer Ausgestaltung vor, dass die Drosselmembran, gegen die Kraft eines elastischen Federelements in Öffnungsrichtung, in Richtung der Schließstellung bewegbar an dem Gehäuse gelagert ist, wobei sich das elastische Federelement sowohl an dem Gehäuse als auch an der dem Gasführungskanal zugewandten Seite der Drosselmembran abstützt. Mit anderen Worten wirkt das Federelement in Öffnungsrichtung auf die Drosselmembran ein, wobei im ausgeschalteten Zustand der Brennkraftmaschine, ohne jegliche Druckdifferenzen an der tellerförmigen Drosselmembran und ohne einen Kurbelgehäuseentlüftungsgas-Volumenstrom, durch das Federelement ein minimaler Düsenspalt eingestellt ist, so dass durch das Federelement zwischen dem Rand der Mündung des Gasführungskanals und dem umlaufenden Ansatz der Drosselmembran ein vorbestimmter Abstand voreingestellt ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Ölabscheidung aus den Kurbelgehäuse-Entlüftungsgasen dadurch begünstigt werden, wenn der Ölabscheider eine abscheidewirksame Funktionsfläche, insbesondere die eines Vlies oder eines Textils, aufweist.
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Schließlich sieht die Erfindung in Ausgestaltung vor, dass der Auslass mit einem Unterdruckerzeuger, insbesondere einer Saugstrahlpumpe, strömungsverbunden ist. Ein Unterdruckerzeuger nach Art einer Saugstrahlpumpe arbeitet mit strömungsdynamischen Kräften und kommt ohne einen externen mechanischen Antrieb, wie zum Beispiel einen Motor, Riementrieb oder dergleichen, aus.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es von Vorteil, wenn der Referenzdruck auf der dem Gasführungskanal abgewandten Seite der Drosselmembran Atmosphärendruck ist.
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Ebenso von Vorteil ist es, wenn die Ölabscheidevorrichtung als modulare Funktionsbaugruppe ausgeführt ist. Bevorzugt ist es dabei, wenn die als modulare Funktionsbaugruppe ausgeführte Ölabscheidevorrichtung in einem Kurbelghäuseentlüftungsgasführenden Gehäuseelement eingesetzt ist und die räumlich gasdichte Trennung zwischen verunreinigten und gereinigten Kurbelgehäuseentlüftungsgasen sowie zwischen gereinigten Kurbelgehäuseentlüftungsgasen und Umgebungsluft auf Atmosphärenddruck-Niveau über Dichtungen oder eine gasdichte Verschweißung erfolgt.
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Schließlich ist es bevorzugt, wenn der umlaufende Düsenspalt und/oder das Gehäuse vom Umfang her im Wesentlichen eine kreisrunde oder eine ovale oder eckige Kontur aufweisen.
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Bei der erfindungsgemäßen Ölabscheidevorrichtung handelt es sich zusammengefasst um eine geregelte Ölabscheidevorrichtung. Mit dieser kann die zur Verfügung stehende Leistung im Kurbelgehäuse als auch zusätzliche Leistung von einem Unterdruckerzeuger zu einem hohen Anteil von bis zu 100% genutzt werden. Dies ist über das gesamte Motorkennfeld möglich, so dass hierdurch eine Steigerung des Ölabscheidungsgrades ermöglicht ist, da sich der geregelte Ölabscheider an die schwankenden Motorbetriebs-bedingungen optimal anpasst. Ein zusätzliches Unterdruckbegrenzungsventil ist daher nicht mehr erforderlich. Die Konstruktion ist daher deutlich einfacher.
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Im Sinne der Erfindung ist der Begriff „Kanal“ als Synonym zu dem Ausdruck „Rohr“ zu sehen, worunter ein länglicher Hohlkörper zu verstehen ist, dessen Querschnitt nicht zwangsläufig kreisrund sein muss, sondern auch einen rechteckigen, einen ovalen oder einen anderen Querschnitt aufweisen kann. Ferner ist unter dem Ausdruck „umlaufend“ ein radial umlaufendes Element zu verstehen, welches beispielsweise ringförmig ausgebildet sein kann.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, in der beispielhaft bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Ölabscheidevorrichtung, die in einer Zylinderkopfhaube eingebaut ist,
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2 eine perspektivische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung,
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3 eine perspektivische Unteransicht auf die erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung,
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4 eine perspektivische Einzelteildarstellung der erfindungsgemäßen Ölabscheidevorrichtung,
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5 in perspektivischer Schnittansicht einen Einströmzylinder der erfindungsgemäßen Ölabscheidevorrichtung,
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6 eine detaillierte Schnittansicht auf einen Ölabscheider der erfindungsgemäßen Ölabscheidevorrichtung,
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7 eine Draufsicht auf ein Gehäuseunterteil der erfindungsgemäßen Ölabscheidevorrichtung,
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8 eine perspektivische Schnittansicht des Gehäuseunterteils der erfindungsgemäßen Ölabscheidevorrichtung,
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9 eine seitliche Schnittansicht auf eine Drosselmembran und einen Stützteller der erfindungsgemäßen Ölabscheidevorrichtung,
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10 eine seitliche Schnittansicht auf die erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung bei einem leicht geöffneten Düsenspalt,
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11 eine seitliche Schnittansicht auf die erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung bei einem stärker geöffneten Düsenspalt,
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12 eine detaillierte Schnittansicht von ausgewählten Bauteilen der erfindungsgemäßen Ölabscheidevorrichtung,
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13 eine seitliche Schnittansicht auf eine erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung gemäß einer alternativen Ausführungsform bei geschlossenem Düsenspalt,
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14 eine seitliche Schnittansicht auf die erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung gemäß der alternativen Ausführungsform bei geöffnetem Düsenspalt und
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15 eine seitliche Schnittansicht auf die erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung gemäß der alternativen Ausführungsform bei maximal geöffnetem Düsenspalt.
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In 1 ist eine Schnittansicht gezeigt, bei welcher eine erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung 1 zur Reinigung von Kurbelgehäuse-Entlüftungsgasen exemplarisch in einem zweischaligen Gehäuseelement 2 mit Gehäuseoberteil 2a und Gehäuseunterteilt 2b integriert ist. Diese beispielhafte Einbaudarstellung soll demonstrieren, dass sich die erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung 1 sehr einfach in ein Gehäuse, wie zum Beispiel in eine Zylinderkopfhaube, integrieren lässt. Über einen Kurbelgehäuse-Entlüftungsgas-Einlass 3 gelangt zu reinigendes Kurbelgehäuse-Entlüftungsgas zu der Ölabscheidevorrichtung 1, durch welche das mit Ölnebelpartikeln beladene Kurbelgehäuse-Entlüftungsgas strömt, wie anhand der Pfeile in 1 gezeigt ist. Nach Durchströmung der Ölabscheidevorrichtung 1 strömt der Gasstrom über einen Kurbelgehäuse-Entlüftungsgas-Auslass 4 aus dem Gehäuseelement 2 aus, wobei größere und leicht abzuscheidende Ölnebelpartikel über einen ersten Ölablauf 5 aus dem Gehäuse 2 ablaufen können, wohingegen feine Ölnebelpartikel, die in der Ölabscheidevorrichtung 1 abgeschieden werden, über einen zweiten Ölablauf 6 aus dem Gehäuse 2 ablaufen können. Um die Strömung durch die Ölabscheidevorrichtung 1 zu fördern, ist üblicherweise eine in 1 nicht dargestellte Saugstrahlpumpe am Kurbelgehäuse-Entlüftungsgas-Auslass 4 angeordnet.
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Verschiedene Perspektivansichten auf die erfindungsgemäße Ölscheidevorrichtung 1 sind in den 2 und 3 dargestellt, wobei die 2 eine Draufsicht und die 3 eine Unteransicht zeigen. Aus diesen beiden Darstellungen, welche lediglich ein Gehäuse 7 der Ölabscheidevorrichtung 1 zeigen, ist die kompakte und flache Bauweise der Ölabscheidevorrichtung 1 ersichtlich.
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Anhand der 4 bis 12 wird nachstehend der Aufbau der erfindungsgemäßen Ölabscheidevorrichtung 1 erläutert. Die 4 zeigt eine Einzelteildarstellung der Ölabscheidevorrichtung 1, die das Gehäuse 7 aufweist, welches einen Gehäusedeckel 7a, ein mit dem Gehäusedeckel 7a über eine Einhakverbindung in Eingriff stehendes Gehäuseunterteil 7b und einen Einströmzylinder 7c umfasst. Das Gehäuse 7 weist einen Gaseinlass 8 (siehe zum Beispiel 3 und 10), der mit einem Kurbelgehäuse strömungsverbindbar ist (siehe zum Beispiel 1) und der an dem Einströmzylinder 7c ausgebildet ist, und einen Auslass 9 (siehe zum Beispiel 8 und 12), der mit einem Ansaugbereich eines Motors strömungsverbindbar ist und der an dem Gehäuseunterteil 7b ausgebildet ist, auf.
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Durch den Gaseinlass 8 strömt ein ölnebelhaltiges Kurbelgehäuseentlüftungsgas in das Gehäuse 7 ein, wobei das Kurbelgehäuseentlüftungsgas im Wesentlichen in Richtung einer Hauptströmungsrichtung 12 (siehe 10) einströmt. Durch den Auslass 9 strömt das gereinigte Gas aus dem Gehäuse 7 aus und gelangt dann, wie für 1 beschrieben, in den Ansaugbereich bzw. das Saugrohr des Motors. Innerhalb des Gehäuses 7 und zwischen dem Gaseinlass 8 und dem Auslass 9 ist innerhalb des Gehäuses 7 eine Drosselmembran 10 und ein Ölabscheider 11 angeordnet. Das Gehäuseunterteil 7b bildet mit seiner Wandung einen Gasführungskanal 14 aus, der mit dem Gaseinlass 8 strömungsverbunden ist und der zu der Drosselmembran 10 führt. An einem dem Gaseinlass 8 abgewandten Längsende des Gasführungskanals 14 ist eine Mündung 15 ausgebildet, an welcher die tellerförmig ausgebildete Drosselmembran 10 angeordnet ist. Der Gasführungskanal 14 ist von einem mit dem Auslass 9 strömungsverbundenen Auslasskanal 22 umgeben, wobei der Gasführungskanal 14 und der Auslasskanal 22 einen Ringspalt 23 bilden. Der Auslasskanal 22 ist als dabei als ein um den Gasführungskanal 14 umlaufender Ring ausgebildet, der über vier, gleichmäßig um den Umfang des Gasführungskanals 14 verteilte Stege 24 mit dem Gasführungskanal 14 verbunden und somit an dem Gehäuseunterteil 7b fixiert ist.
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Das Gehäuse 7 bzw. der Einströmzylinder 7c weist einen im Zentrum des Gehäuses 7 angeordneten und sich in Längsrichtung 16 des Gasführungskanals 14 erstreckenden Führungszapfen 17 auf. Der Führungszapfen 17 dient zu Führung und Lagerung eines Stütztellers 18, auf welchem die Drosselmembran 10 aufliegend gehalten ist. Der Stützteller 18 weist eine zentrale Öffnung 19 auf, in welcher der Führungszapfen 17 ragt. Durch den Führungszapfen 17 ist eine Bewegung der Drosselmembran 10 in Längsrichtung 16 des Gasführungskanals 14 möglich, so dass die Drosselmembran 10 zwischen einer Schließstellung, in welcher die Drosselmembran 10 auf einem Rand 25 der Mündung 15 des Gasführungskanals 14 aufliegt und die Mündung 15 verschließt, und einer Öffnungsstellung, in welcher ein ringförmiger Düsenspalt 26 zwischen dem Rand 25 der Mündung 15 und der Drosselmembran 10 gebildet ist, in dem Gehäuse 7 bewegbar gelagert ist. In einer Öffnungsstellung (siehe zum Beispiel 10), bei welcher ein Düsenspalt 26 vorhanden ist, können Kurbelgehäuse-Entlüftungsgase von dem Gasführungskanal 14 über den Düsenspalt 26 in den Ringspalt 23 strömen, wie es exemplarisch in 1 durch die die Strömung anzeigen Pfeile dargestellt ist. Ferner ist in dem Gehäusedeckel 7a eine Drosselblende 20 angeordnet, die eine Zusatzöffnung 21 aufweist. Die folglich in dem Gehäuse 7 ausgebildete Zusatzöffnung 21 ist mit der Umgebung verbunden, so dass innerhalb des Gehäusedeckels 7a stets Atmosphärendruck herrscht. Dabei stellt der Atmosphärendruck einen Referenzdruck dar, der aus der dem Gasführungskanal 14 abgewandten Seite der Drosselmembran 10 anliegt. Somit trennt die Drosselmembran 10 die Zusatzöffnung 21 von dem Gaseinlass 8 als auch dem Auslass 9 strömungstechnisch ab, wobei die tellerförmige Drosselmembran 10 zu diesem Zweck radial über den Ringspalt 23 hinaus erstreckend ausgebildet ist und eine randseitig und umlaufend angeformten Dichtbereich 27 aufweist, der dichtend in einer in dem Gehäuse 7 bzw. in dem Gehäuseunterteil 7b ausgebildeten Ausnehmung 28 derart angeordnet ist, dass das Innere des Gehäusedeckels 7a und damit die dem Gaseinlass 8 abgewandte Seite der Drosselmembran 10 mit Atmosphärendruck beaufschlagt ist.
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Die Drosselmembran 10 weist einen umlaufenden Ansatz 29 auf, welcher auf der dem Gasführungskanal 14 zugewandten Seite der Drosselmembran 10 ausgebildet ist. In Schließstellung der Drosselmembran 10 liegt der umlaufende Ansatz 29 auf dem Rand 25 der Mündung 15 des Gasführungskanals 14 auf, wobei in Öffnungsstellung der Drosselmembran 10 der Düsenspalt 26 zwischen dem Rand 25 der Mündung 15 und dem ringförmigen Ansatz 29 der Drosselmembran 10 ausgebildet ist.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist als Ölabscheider 11 ein Trägheitsabscheider vorgesehen. Durch diesen wird der Gasstrom, d.h. das Öl-Luftgemisch, stark umgelegt, sodass sich das Öl an einer Innenseite des Trägheitsölabscheiders 11 absetzt. Insbesondere weist der Ölabscheider 11 eine Prallwand 11a auf, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine die Ölabscheidung unterstützende Oberfläche 11b aufweist. Diese kann durch die Oberflächengestaltung oder durch Vorsehen eines Vlieses oder Textils realisiert sein. Der Ölabscheider 11 ist an dem Auslasskanal 22 innenseitig des Ringspalts 26 und in einem quer zur Längsrichtung 16 des Gasführungskanals 14 verlaufenden Strömungsweg der durch den Düsenspalt 26 hindurchströmenden Kurbelgehäuse-Entlüftungsgase angebracht. In Abhängigkeit des in dem Kurbelgehäuse und somit auch in einem Bereich des Gaseinlasses 8 herrschenden Drucks bewegt sich die bewegbar gelagerte Drosselmembran 10 aufgrund der herrschenden Kräfte und der Druckdifferenzen in 10 nach oben oder unten in Längsrichtung 16. Dies bewirkt ein Abheben oder Absenken des Membranwalkbereichs 30 (siehe 11), der als umlaufender Abschnitt an der Drosselmembran 10 radial nach außen versetzt zu dem ringförmigen Ansatz 29 ausgebildet ist, so dass ein variierender Düsenspalt 26 ausgebildet ist oder der ringförmige Ansatz 29 auf dem Rand der Mündung 15 aufliegt, sofern ein Saugunterdruck vorliegt, ohne dass vom Motor ein Kurbelgehäuse-Entlüftungsgas-Volumenstrom erzeugt wird, um die Übertragung des Saugunterdrucks ins Kurbelgehäuse zu verhindern.
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Bei der erfindungsgemäßen Ölabscheidevorrichtung 1 ist ferner vorgesehen, dass in radialer Richtung betrachtet zwischen dem Dichtungsbereich 27 und dem Rand 25 der Mündung 15 eine umlaufende Drosselmembran-Abstützfläche 31 angeordnet ist, auf welcher der ringförmige und elastisch verformbare Membranwalkbereich 30 der rotationssymmetrisch ausgebildeten Drosselmembran 10 zumindest in Schließstellung abgestützt aufliegt. Die Drosselmembran-Abstützfläche 31 ist oberhalb der abscheidewirksamen Funktionsfläche 11b und der Prallwand 11a angeordnet und erstreckt sich radial einwärts bis maximal zum umlaufenden Ansatz 29 der Drosselmembran 10. Die Dicke des umlaufenden Ansatzes ist dabei so auszulegen, dass sich ein Höhenversatz in Längsrichtung 16 zur Drosselmembran-Abstützfläche 31 ergibt, so dass gewährleistet ist, dass der Strahl aus dem Düsenspalt 26 die gegenüberliegende und abscheidewirksame Oberfläche 11b trifft. Der erforderliche Höhenversatz ist dabei auf den maximal erforderlichen Düsenspalt 26 abzustimmen, der sich bei minimalem Saugunterdruck und maximalem Kurbelgehäuseentlüftungsgas-Volumenstrom bei der jeweiligen Brennkraftmaschine ergibt.
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Ohne Drosselmembran-Abstützfläche 31 für die Drosselmembran 10 würde die Drosselmembran 10 im Membranwalkbereich 30 durch die Druckdifferenz aus Atmosphärendruck und Saugunterdruck in Richtung des Saugunterdrucks (also in Richtung des Auslasses 9) gezogen. Dabei wirkt auf die Drosselmembran 10 eine Kraft in Schließstellung, die ohne eine zusätzliche Gegenkraft in Öffnungsrichtung, wie zum Beispiel durch ein Federelement, zu einem zu geringen Düsenspalt 26 führend würde und in Folge dessen zu einem Kurbelgehäuseüberdruck. Die Drosselmembran-Abstützfläche 31 für die Drosselmembran 10 als Anschlagfläche verhindert, dass die Drosselmembran 10 im Membranwalkbereich 30 in Richtung des Saugunterdrucks gezogen wird. Hierdurch werden entsprechend zusätzliche Kräfte in Schließrichtung der Drosselmembran minimiert bis vollständig vermieden. Das hat zur Folge, dass ein Federelement zur Aufbringung einer zusätzlichen Öffnungskraft nicht erforderlich ist, um den Kurbelgehäusedruck auf Atmosphärendruck-Niveau zu halten. Vorzugsweise erstreckt sich die Drosselmembran-Abstützfläche 31 radial einwärts bis zu dem ringförmigen Ansatz 29 der Drosselmembran (10), wie es in den 13 bis 15 für eine alternative Ausführungsform der Ölabscheidevorrichtung 1 gezeigt ist, wobei sich die alternative Ausführungsform durch die radiale Einwärts-Erstreckung der Drosselmembran-Abstützfläche 31 und der Form des umlaufenden Ansatzes 29 von der Ausführungsform der Ölabscheidevorrichtung 1 der 1, 10 und 11 unterscheidet. Für eine vorteilhafte Auslegung der Ölabscheidevorrichtung 1 ist darauf zu achten, dass der Düsenspalt 26 auf einem auf die Drosselmembran 10 bezogenen Durchmesser 32 angeordnet ist, der höchstens 15% kleiner ist als ein Innendurchmesser 33 der Drosselmembran-Abstützfläche 31 (siehe zum Beispiel 11). Die Drosselmembran-Abstützfläche 31 ist als ein Schenkel 11c eines im Querschnitt L-förmigen Profilelements 50 ausgebildet, wobei der andere Schenkel 11a die Prallfläche des Ölabscheiders 11 bildet. Das Profilelement 50 liegt dabei auf wenigstens einer Auflagefläche 51 auf, die innerhalb des Ringspalts 23 ausgebildet sind.
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Die Drosselmembran 10 ist bei den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen gegen die Kraft eines elastischen Federelements 52 in Schließstellung bewegbar an dem Gehäuse 7 gelagert, wobei sich das elastische Federelement 52 sowohl an dem Gehäuse 7 als auch an der dem Gasführungskanal 14 zugewandten Seite der Drosselmembran 10 abstützt. Das Federelement 52 wirkt in Öffnungsrichtung auf die Drosselmembran 10 ein, wobei im ausgeschalteten Zustand der Brennkraftmaschine ohne jegliche Druckdifferenzen an der tellerförmigen Drosselmembran 10 und ohne einen Kurbelgehäuseentlüftungsgas-Volumenstrom, durch das Federelement 52 ein minimaler Düsenspalt 23 eingestellt ist, so dass durch das Federelement 52 zwischen dem Rand 25 der Mündung 15 des Gasführungskanals 14 und dem ringförmigen Ansatz 29 der Drosselmembran 10 ein vorbestimmter Abstand bzw. Düsenspalt 26 voreingestellt ist.
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Nachdem vorstehend die erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung 1 mit ihren Konstruktionsmerkmalen beschrieben worden ist, folgt eine Beschreibung der Funktion der Ölabscheidevorrichtung 1.
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Bei der in den 1, 10, 11 und 13 bis 15 gezeigten Ölabscheidevorrichtung 1 tritt das ölnebelhaltige Kurbelgehäuse-Entlüftungsgas durch den Gaseinlass 8 in das Gehäuse 7 ein. Das ölnebelhaltige Kurbelgehäuse-Entlüftungsgas tritt hierbei in Richtung der Hauptströmungsrichtung 12 in das Gehäuse 8 ein. Wie durch die Pfeile in 1 dargestellt, strömt das ölnebelhaltige Kurbelgehäuse-Entlüftungsgas seitlich an der tellerförmigen und rotationssymmetrisch ausgebildeten Drosselmembran 10 vorbei und tritt sodann durch einen umlaufenden Düsenspalt 26 zwischen dem ringförmigen Ansatz 29 der Drosselmembran 10, die als Drosselkörper wirkt, und dem Rand 25 der Mündung 15 aus. In Strömungsrichtung schließt sich an den umlaufenden Düsenspalt 26 eine Prallwand 11a als Trägheitsölabscheider 11 an, die vorzugsweise eine abscheidewirksame Funktionsfläche 11b, wie zum Beispiel ein Vlies oder Textil, aufweist, wobei es sich beim Ölabscheider auch um einen nicht dargestellten Ölabscheider handeln kann, der hauptsächlich auf dem Diffusionsabscheideprinzip basiert.
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Die Ölabscheidung erfolgt bei der in den Figuren gezeigten Ölabscheidevorrichtung 1 durch ein starkes Umlenken des Kurbelgehäuseentlüftungsgas an der Prallwand 11a bzw. der abscheidewirksamen Funktionsfläche 11b, welches zur Steigerung der Ölabscheidung durch den engen Düsenspalt 26 maximal beschleunigt wird. Die scharfe Umlenkung des Kurbelgehäuse-Entlüftungsgases, welches mit hoher Strömungsgeschwindigkeit auf die Prallwand 11a bzw. die abscheidewirksame Funktionsfläche 11b trifft, können die Ölnebelpartikel aufgrund ihrer Massenträgheit nicht folgen und werden an der Prallwand 11a bzw. an der Funktionsfläche 11b abgeschieden. Das abgeschiedene Öl wird in das Kurbelgehäuse zurück gefördert.
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Es stellt sich im Betrieb der Ölabscheidevorrichtung ein dem jeweiligen Betriebsbedingungen angepasster Düsenspalt 26 ein, der folglich nicht konstant sondern variabel ist und dessen Querschnitt durch eine selbstregelnde Regelungslogik stets so eingestellt wird, dass der Druckverlust des Düsenspalts 26 maximal so groß ist wie der gerade zur Verfügung stehende Saugunterdruck, so dass sich ein Kurbelgehäusedruck in der Größenordnung des Atmosphärendrucks bzw. vorzugsweise ein geringer Unterdruck im einstelligen Millibar-Bereich als Zielgröße bzw. Sollwert der Regelung ergibt. In diesem Zustand liegt der kleinstmögliche Düsenspalt-Querschnitt vor, der ohne einen Kurbelgehäuseüberdruck zu erzeugen, eingestellt werden kann. Aufgrund des nahezu gegendruckunabhängigen Kurbelgehäuseentlüftungsgas-Volumenstroms sind die Strömungsgeschwindigkeiten beim kleinstmöglichen Düsenspalt folglich maximal. Durch die nahezu vollständige Nutzung des Saugunterdrucks zur Beschleunigung des Kurbelgehäuse-Entlüftungsgases auf maximale Strömungsgeschwindigkeit in allen Motorkennfeldbereichen ergibt sich folglich stets ein optimaler Ölabscheidegrad an der Prallwand 11a bzw. an der Funktionsfläche 11b.
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Realisiert wird dieses selbstregelnde Verhalten des Düsenspaltquerschnitts durch die Beaufschlagung der Drosselmembran 10 mit Atmosphärendruck auf der dem Kurbelgehäuse-Entlüftungsgas abgewandten Seite. Der Atmosphärendruck an der dem Gaseinlass 8 abgewandten Seite der Drosselmembran 10 dient als Referenzdruck, auf dessen Größenordnung der Kurbelgehäusedruck eingeregelt werden soll. Um das zu erreichen, ist vorzugsweise der Düsenspalt 26 auf einem Durchmesser angeordnet, der nur maximal 15% kleiner sein sollte als der Durchmesser der Drosselmembran-Abstützfläche 31. Hierdurch ergeben sich wirksame Angriffsflächen für den Atmosphärendruck auf der dem Gaseinlass 8 abgewandten Seite der Drosselmembran 10 und der dem Gaseinlass 8 zugewandten Seite der Drosselmembran 19. Durch die Dimensionierung der mit dem Kurbelgehäuse-Druck beaufschlagten Seite der Drosselmembran 10 auf ein Flächenmaß näherungsweise der mit dem Atmosphärendruck beaufschlagten Seite der Drosselmembran 10 ist folglich die verbleibende ringförmige Fläche zwischen der Drosselmembran-Abstützfläche 31 und dem Düsenspalt 26 entsprechend klein. Das hat den Vorteil, dass nur eine geringe ringförmige Angriffsfläche der Drosselmembran 10 dem vorliegenden Saugunterdruck ausgesetzt wird. Hierdurch werden nicht nur die mechanischen Belastungen der Drosselmembran 10 bei hohen Saugunterdrücken minimiert – vielmehr führt eine möglichst kleine Drosselmembran-Angriffsfläche gegenüber dem Saugunterdruck auch zu einem besseren Regelverhalten, da die Regelung zwischen dem Atmosphären- und Kurbelgehäusedruck erfolgen soll und der Saugunterdruck auf die Regelung als Störgröße wirkt. Bei einer zu großen Membran-Angriffsfläche für den Saugunterdruck wirkt eine entsprechend höhere Kraft in Schließrichtung der Drosselmembran 10, die sich nur teilweise durch eine Gegenkraft über z.B. ein Federelement in Öffnungsrichtung kompensieren lässt, ohne dass sich dadurch das Regelverhalten verschlechtert.
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Zudem hat die Anordnung des Düsenspalts 26 auf einem möglichst großen Durchmesser in Relation zum Durchmesser des Gehäuses 7 den Vorteil, dass auch mit sehr kleinen Ölabscheidern, so wie diese nach dem Stand der Technik in Gehäusen von Zylinderkopfhauben eingesetzt werden, bereits bei einem sehr geringen Öffnungspalt des Düsenspalts 26 in der Größenordnung von einigen 1/10teln bis wenigen Millimetern ein großer Strömungsquerschnitt freigegeben wird, so dass auch bei geringen Saugunterdrücken und hohen Kurbelgehäuseentlüftungsgas-Volumenströmen ein ausreichend großer Düsenspalt 26 zur Vermeidung von Kurbelgehäuseüberdrücken gewährleistet werden kann.
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In 14 ist die Ölabscheidevorrichtung 1 in einer Situation gezeigt, bei der sich die Drosselmembran-Abstützfläche 31 nach innen über die abscheidewirksame Funktionsfläche 11b hinaus bis in die unmittelbare Nähe des ringförmigen Ansatzes 29 der Membran erstreckt. Diese Ausführungsform mit der über die abscheidewirksame Funktionsfläche 11b hinausragenden Drosselmembran-Abstützfläche 31 hat den Vorteil, dass sich ein konstruktiver Freiheitsgrad ergibt, der es erlaubt, den radialen Abstand der abscheidewirksamen Funktionsfläche 11b zum Düsenspalt 26 konstruktiv unabhängig vom Innendurchmesser 33 der Drosselmembran-Abstützfläche 31 anzupassen. Mit dieser Ausführung ist es möglich, den Abstand der abscheidewirksamen Funktionsfläche 11b zum Düsenspalt 26 größer auszuführen als den radialen Abstand des Innendurchmessers 33 der Drosselmembran-Abstützfläche 31, um einerseits den für die Ölnebelpartikelabscheidung optimalen Abstand der abscheidewirksamen Funktionsfläche 11b zum Düsenspalt 26 wählen zu können und um andererseits davon unabhängig die Angriffsfläche für den Saugunterdruck im Wesentlichen zwischen dem Innendurchmesser 33 der Drosselmembran-Abstützfläche 31 und dem umlaufenden Ansatz 29 zu Gunsten des optimalen Regelverhaltens so gering wie möglich zu halten.
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Konstruktiv ist darauf zu achten, dass bei vollständiger Auflage des Membranwalkbereichs 30 auf der der Drosselmembran-Abstützfläche 31 der ringförmige Ansatz 29 gleichzeitig zur Auflage auf dem Rand 25 der Mündung 15 kommt, wie es in 13 dargestellt ist, oder aber der ringförmige Ansatz 29 noch einen minimalen Abstand zum Rand 25 der Mündung 15 aufweist, der über eine geringe Verformung des geringen Anteils des Membranwalkbereichs 30, der nach innen über die Drosselmembran-Abstützfläche 31 hinaussteht, geschlossen werden kann, um eine vollständige Abdichtung des ringförmigen Ansatzes 29 auf dem Rand 25 der Mündung 15 zu ermöglichen.
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Ohne eine feststehende Drosselmembran-Abstützfläche 31 für den Membranwalkbereich 30 würde die Drosselmembran 10 im Membranwalkbereich 30 durch die Druckdifferenz aus Atmosphärendruck und Saugunterdruck in Richtung des Saugunterdrucks gedrückt, insbesondere bei größeren radialen Abständen der Prallwand 11a. Dabei wirkt auf die Drosselmembran 10 eine Kraft in Schließrichtung, die ohne eine zusätzliche Gegenkraft in Öffnungsrichtung durch z.B. ein Federelement zu einem zu geringen Düsenspalt 26 führend würde und in Folge dessen zu einem Kurbelgehäuseüberdruck. Die Drosselmembran-Abstützfläche 31 für den Membranwalkbereich 30 als Anschlagsfläche verhindert, dass die Drosselmembran 10 im Membranwalkbereich 30 in Richtung des Saugunterdrucks gezogen wird. Hierdurch werden entsprechend zusätzliche Kräfte in Schließrichtung der Drosselmembran 10 minimiert bis vollständig vermieden. Das hat zur Folge, dass ein Federelement 52 zur Aufbringung einer zusätzlichen Öffnungskraft, insbesondere wenn die jeweilige Anwendung nur geringe Düsenspaltquerschnitte erfordert, nicht zwingend erforderlich ist, um den Kurbelgehäusedruck auf Atmosphärendruck-Niveau zu halten.
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Vorzugsweise ist bei einem Verzicht auf ein zusätzliches Federelement ein Abstand zwischen dem ringförmigen Ansatz 29 der Drosselmembran 10 und dem Rand 25 der Mündung 15 bei vollständiger Auflage des Membranwalkbereichs 30 auf der Drosselmembran-Abstützfläche 31 in der Größenordnung von wenigen 1/10teln vorzusehen. Dieser Spalt kann das Kurbelgehäusedruck-Niveau leicht in die Größenordnung eines 1-stelligen Unterdrucks in Millibar verschieben. Hierbei wird das elastische Verhalten des geringen Membranwalkbereich-Anteils genutzt, der über die Drosselmembran-Abstützfläche 31 nach innen hinaussteht, welcher sich ähnlich wie eine Feder unter Krafteinwirkung verformen kann und die Funktion des Federelements 52 übernimmt. Aufgrund der Elastizität des überstehenden Membranwalkbereich-Anteils kann sich der konstruktiv vorgesehene Düsenspalt 26 auch vollständig schließen, wenn bei einem anliegenden Saugunterdruck kein Kurbelgehäuseentlüftungsgas-Volumenstrom vorliegt und somit die erforderliche gasdichte Abdichtung zwischen dem ringförmigen Ansatz 29 und dem Rand 25 der Mündung 15 ermöglichen.
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Nachstehend erfolgt eine Beschreibung der Änderung des Düsenspalt-Querschnitts bei der Regelung der erfindungsgemäßen Ölabscheidevorrichtung 1.
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Ausgehend von einem vollständig geschlossenen Zustand (siehe zum Beispiel 13) des Reglers in Form der Drosselmembran 10 im Bereich des Düsenspalts 26, der vorliegt sobald ein Saugunterdruck ohne Kurbelgehäuse-Entlüftungsgas-Volumenstrom wirksam ist, hebt die Drosselmembran 10 vom Rand 25 der Mündung 15 ab und gibt im Bereich zwischen dem ringförmigen Ansatz 29 der Drosselmembran 10 und dem Rand 25 der Mündung 15 den Düsenspalt 26 frei (siehe zum Beispiel 14), sobald ein minimaler Kurbelgehäuse-Entlüftungsgas-Volumenstrom vorliegt.
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Das Abheben der Drosselmembran 10 und die resultierende Freigabe des Düsenspalts 26 wird ermöglicht durch ein geringfügiges partielles Abheben des Membranwalkbereichs 30 von der Drosselmembran-Abstützfläche 31. Das Abheben von der Drosselmembran-Abstützfläche 31 erfolgt in Form eines Abrollens ähnlich eines Abschälens, so dass bei geringen Düsenspalten 26 der Membranwalkbereich 30 auf größerem Durchmesser weiterhin auf der Drosselmembran-Abstützfläche 31 aufliegt. Das hat den funktionsentscheidenden Vorteil, dass sich die Angriffsfläche für den Saugunterdruck durch das geringfügige partielle Abheben des Membranwalkbereichs 30 ebenfalls nur geringfügig vergrößert, so dass die Kräfte in Schließrichtung auf den Membranwalkbereich 30 selbst bei höheren Saugunterdrücken, wie von Ottomotoren oder beim Einsatz von zusätzlichen leistungsfähigen Unterdruckerzeugern bekannt, sehr gering ausfallen und sich kaum auf das Regelverhalten auswirken.
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Der maximale Düsenspalt 26 liegt vor (siehe zum Beispiel 15), wenn der Saugunterdruck gering ist und die Kurbelgehäuse-Entlüftungsgas-Volumenströme hoch sind. In diesem Zustand ist ein größerer Anteil des Membranwalkbereichs 30 von der Drosselmembran-Abstützfläche 31 abgehoben. In diesem Zustand wäre die Angriffsfläche im Membranwalkbereich 30 zwar größer; da jedoch die Saugunterdrücke in diesem Zustand geringer sind, sind auch die in Schließrichtung wirkenden Kräfte und die resultierenden Auswirkungen auf das Regelverhalten entsprechend gering.
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Der erfindungsgemäße geregelte Ölabscheider 1 mit der tellerförmigen Drosselmembran 10, welche in Kombination mit dem Stützteller 18 die Funktion des Reglers übernimmt, zeigt das nachstehend beschriebene Regelverhalten im Motorbetrieb eines Motors ohne zusätzlichen Unterdruckerzeuger in der Kurbelgehäuseentlüftung:
Bei Motorbetriebszuständen mit geringer Drehzahl, die zu einem entsprechend geringem Saugrohrunterdruck, einer geringen Last und zu einem geringen Entlüftungsgasvolumenstrom führt, wird der Regler bzw. die Drosselmembran 10 einen großen oder auch den maximalen Strömungsquerschnitt des Düsenspalts 26, vergleichbar mit dem differenzdrucklosen Ausgangszustand, freigeben, der in Kombination mit gleichzeitig geringen Entlüftungsgasvolumenströmen zu geringeren Strömungsgeschwindigkeiten und geringeren Druckverlusten im Düsenspalt 26 führt.
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Wird die Drehzahl bei gleichbleibend geringer Last auf eine hohe Drehzahl erhöht, erhöht sich der Saugrohrunterdruck bei nahezu gleichbleibendem Entlüftungsgas-Volumenstrom. Aufgrund des hohen Saugrohrunterdrucks und des zunächst noch geringen Druckverlusts im Düsenspalte 26 ergibt sich ein Anstieg des Kurbelgehäuseunterdrucks, d.h. eine größere Druckdifferenz zu der mit Atmosphärendruck beaufschlagten Seite des Reglers bzw. der Drosselmembran 10, die sich infolge dessen in Richtung des Druckgefälles bewegt und den Strömungsquerschnitt des Düsenspalts 26 soweit reduziert, bis der dabei ansteigende Druckverlust den Kurbelgehäuseunterdruck auf den Sollwert reduziert.
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Wird ausgehend vom vorangehenden Motorbetriebszustand mit hoher Drehzahl und geringer Last, die Last auf hohe Last erhöht, erhöht sich der Entlüftungsgasvolumenstrom, am zunächst noch geringeren Strömungsquerschnitt des Düsenspalts 26, der einen höheren Druckverlust erzeugt und damit den Kurbelgehäuse-Unterdruck reduziert. Sobald der Kurbelgehäuse-Unterdruck auf einen Wert unter den Sollwert fällt, wird der Regler durch das kurbelgehäuseseitige Federelement 52 auch gegen eine noch geringe verbliebene Kraft des Reglers, soweit in Richtung größerer Düsenspaltquerschnitte verschoben, dass der resultierende geringere Druckverlust den Kurbelgehäuseunterdruck auf den Sollwert ansteigen lässt.
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Das vorangehend beschriebene Regelverhalten bezieht sich auf das Regelverhalten des geregelten Abscheiders beim Einsatz in einer Kurbelgehäuseentlüftung einer konventionelle Brennkraftmaschine ohne zusätzlichen Unterdruckerzeuger.
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Beim Einsatz eines zusätzlichen Unterdruckerzeugers, wie z.B. einer Saugstrahlpumpe oder einer elektrischen Pumpe wird sich die Abscheideleistung erhöhen.
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Die Regelung bzw. der sich einstellende Düsenpalt 26 ist dann vom jeweils erzeugten Unterdruck des Unterdruckerzeugers in Kombination mit dem Kurbelgehäuseentlüftungsgas-Volumenstrom abhängig und nicht mehr direkt von der Drehzahl der Brennkraftmaschine.
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Die erfindungsgemäße geregelte Ölabscheidevorrichtung 1 besteht aus einer modularen Funktionsbaugruppe, die die Strömungsgeschwindigkeit des Entlüftungsgasvolumenstroms unter nahezu vollständiger Nutzung der im Kurbelgehäuseentlüftungssystem zur Verfügung stehenden Leistung über den geregelten bzw. über den sich variabel einstellenden Düsenspalt 26 maximal beschleunigt und aus einem sich anschließendem Funktionselement in Form des Ölabscheiders 11, auf welches der Düsenstrahl zur Ölnebelabscheidung auftrifft.
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Allgemein kann der Regelkreis wie folgt beschrieben werden:
Bei ungeregelten Ölabscheidern schwankt der Kurbelgehäuseunterdruck einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit des Motorbetriebszustands und ergibt sich aus der Differenz des Saugrohrunterdrucks und des vom Entlüftungsvolumenstrom abhängigen Ölabscheiderdruckverlusts (Saugrohrunterdruck – Ölabscheiderdruckverlust = Kurbelgehäusedruck). Um den Kurbelgehäusedruck auf einem konstanten minimalen Unterdruckniveau zur Nutzung der maximal zur Verfügung stehenden Kurbelgehäuseentlüftungsleistung zu halten, ist erfindungsgemäß eine geregelte Anpassung des Druckverlusts erforderlich.
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Als Regelgröße für den Regler, bestehend aus der Drosselmembran 10 und dem Stützteller 18, dient die Druckdifferenz aus Atmosphärendruck und Kurbelgehäusedruck. Als Sollwert für die Regelgröße ist ein konstanter geringer Kurbelgehäuseunterdruck (Kurbelgehäusedruck [absolut] – Atmosphärendruck [absolut] < 0) unabhängig von den Motorbetriebszuständen angestrebt.
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Sobald sich ausgehend von einem Gleichgewichtszustand die Druckdifferenz aus Atmosphärendruck und Kurbelgehäusedruck als Regelgröße während des Motorbetriebs geringfügig ändert, kommt es entsprechend zu einer geringfügigen Abweichung vom Sollwert und die Drosselmembran 10 vollzieht eine Relativbewegung in Richtung des Druckgefälles. Diese Relativbewegung der Drosselmembran 10 wird verwendet, um den Strömungsquerschnitt des Düsenspalts 26 und damit indirekt den Druckverlust des Ölabscheidevorrichtung 1 als Stellgröße mechanisch so anzupassen, dass der konstante geringe Kurbelgehäuseunterdruck als Sollwert der Regelgröße wieder erfüllt ist (Rückkopplung). Für die Regelfunktion ist es von besonderer Bedeutung, dass der Strömungsquerschnitt des Düsenspalts 26 verändert werden kann, damit eine Beeinträchtigung der Regelfunktion durch den Staudruck an dem Düsenpalt-Einlass bzw. der Druckdifferenz aus Saugdruck und Kurbelgehäusedruck ausgeschlossen oder zumindest verringert werden kann. Mit der Druckdifferenz aus Atmosphärendruck und Kurbelgehäusedruck als Regelgröße, der Relativbewegung des Reglers und des sich ändernden Druckverlusts infolge der Strömungsquerschnittsänderung des Düsenspalts 26 als Stellgröße und der Rückkopplung der Stellgröße auf die Regelgröße solange bis sich der geringe Kurbelgehäuseunterdruck als Sollwert wiedereingestellt hat, ergibt sich ein geschlossener Regelkreis. Da es sich hierbei um einen selbstregelnden Vorgang handelt, erfolgen die einzelnen Schritte des Regelkreises aufeinander fortlaufend und ohne zeitliche Verzögerung, so dass der anzustrebende geringe Kurbelgehäuseunterdruck als Sollwert der Regelgröße stets eingehalten wird.
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Über die Federkonstante des kurbelgehäusedruckseitigen Federelements 52 lässt sich der geringe Kurbelgehäuseunterdruck, der als Sollwert eingeregelt werden soll, von der Größe festlegen. Ohne das Federelement 52 würde sich bei der bevorzugten und bereits beschriebenen Ausführung nach 13 ein Kurbelgehäusedruck in der Größenordnung des Atmosphärendrucks einstellen. Mit steigender Federkonstante des Federelements 52 nimmt die erforderliche Kraft, zum Verschieben des Reglers in Richtung kleinerer Düsenspalte 26 zu, d.h. erst bei höheren Kurbelgehäuseunterdrücken verengt der Regler den Düsenspalt 26 auf den gleichen Strömungsquerschnitt. Aufgrund des durchschnittlich größeren Strömungsquerschnitts des Düsenspalts 26 bei einem kurbelgehäuseseitigen Federelement 52 mit größerer Federkonstante wird der durchschnittliche Druckverlust entsprechend geringer und der Kurbelgehäuseunterdruck größer sein. Der Druckverlust der an dem Düsenspalt 26 entsteht, steht in direktem Zusammenhang mit den Strömungsgeschwindigkeiten in und nach dem Düsenspalt 26. Je größer die Strömungsgeschwindigkeit ist, mit der der sich an den Düsenspalt 26 anschließende Trägheits-Ölabscheider 11 angeströmt wird, umso höher ist das Potential für einen hohen Ölabscheidegrad. Daher ist für das kurbelgehäuseseitige Federelement 52 vorzugsweise eine möglichst geringe Federkonstante zu wählen, um hohe Strömungsgeschwindigkeiten in dem Düsenspalt 26 für eine maximale Ölabscheidung zu erzielen.
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Bei Motorbetriebszuständen mit geringer Drehzahl, die zu einem entsprechend geringem Saugrohrunterdruck führt, und einer geringen Last, die zu einem geringen Entlüftungsgasvolumenstrom führt, wird der Regler einen großen oder auch den maximalen Strömungsquerschnitt des Düsenspalts 26, vergleichbar mit dem differenzdrucklosen Ausgangszustand, freigeben, der in Kombination mit gleichzeitig geringen Entlüftungsgas-Volumenströmen zu geringeren Strömungsgeschwindigkeiten und geringeren Druckverlusten in dem Düsenspalt 26 führt.
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Wird die Drehzahl bei gleichbleibend geringer Last auf eine hohe Drehzahl erhöht, erhöht sich der Saugrohrunterdruck bei nahezu gleichbleibendem Entlüftungsgas-Volumenstrom. Aufgrund des hohen Saugrohrunterdrucks und des zunächst noch geringen Druckverlusts in dem Düsenspalt 26 ergibt sich ein Anstieg des Kurbelgehäuseunterdrucks, d.h. eine größere Druckdifferenz zur atmosphärendruckbeaufschlagten Seite des Reglers bzw. der Drosselmembran 10, die sich infolge dessen in Richtung des Druckgefälles bewegt und den Strömungsquerschnitt des Düsenspalts 26 soweit verschließt, bis der dabei ansteigende Druckverlust den Kurbelgehäuseunterdruck auf den Sollwert reduziert.
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Wird ausgehend vom vorangehenden Motorbetriebszustand mit hoher Drehzahl und geringer Last die Last auf hohe Last erhöht, erhöht sich der Entlüftungsgasvolumenstrom, der an dem zunächst noch geringeren Strömungsquerschnitt des Düsenspalts 26 einen höheren Druckverlust erzeugt und damit den Kurbelgehäuseunterdruck reduziert. Sobald der Kurbelgehäuseunterdruck auf einen Wert unter den geringen Kurbelgehäusedruck des Sollwerts fällt, wird der Regler durch das Federelement 52 auch gegen eine noch geringe verbliebene Kraft des Reglers soweit in Richtung eines größeren Düsenspaltquerschnitts verschoben, dass der resultierende geringere Druckverlust den Kurbelgehäuseunterdruck auf den Sollwert ansteigen lässt.
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Die erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung weist gegenüber ungeregelten Ölabscheidern insbesondere nachfolgende Vorteile auf:
- • höheres Potential für höhere Ölabscheidungsgrade durch die Nutzbarmachung der gesamten zu Verfügung stehenden Leistung im Kurbelgehäuseentlüftungssystem.
- • Entfall des Druckregelventils als Folge/Nebeneffekt.
- • Vereinfachung des Ölabscheider- bzw. Zylinderkopfhauben-Designs durch Entfall des außen angebrachten Druckregelventils.
- • geringer Montageaufwand wegen Entfall des Druckregelventils.
- • Modularer Aufbau (Funktion des Moduls vor dem Verbau im ZSB prüfbar).
- • Kosteneinsparpotential als Folge der vorangehenden vier Punkte.
- • kein Leckage-Risiko durch außen angebrachtes Druckregelventil mehr.
- • keine Variantenbildung des Abscheiders erforderlich (maximal zulässiger Druckverlust stellt sich automatisch abhängig vom Motor und den Betriebsbedingungen ein).
- • passt sich zeitlich variierenden Randbedingungen automatisch an (beispielsweise höherer Blow-By-Volumenstrom durch Motorverschleiß, Luftfilter voll => höhere Saugrohrunterdrücke).
- • bessere Ölreißsicherheit (geregelter Ölabscheider erhöht den Druckverlust bei zusätzlichem Fremd-Blow-By nicht! => bessere Abförderung des abgeschiedenen Öls).
- • Vermeidung von Überdrücken in kritischen Kennfeldbereichen (geringe Drehzahl, hohe Last) trotz maximaler Nutzung der Leistung in allen Kennfeldbereichen.
- • keine Elektronik erforderlich, da selbstregelnd.
- • kein höherer Kraftstoffverbrauch (verglichen mit aktiv angetriebenen Ölabscheidern).
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Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Ölabscheidevorrichtung gegenüber bekannten geregelten Ölabscheidern insbesondere folgende Vorteile aufweisen:
- • geringere Toleranzanforderungen.
- • weniger mechanisch bewegliche Bauteile.
- • keine Haft- oder Gleitreibungskräfte beim Verstellen der Drosselmembran bzw. des Querschnitts des Düsenspalts.
- • Querschnittsänderung des Düsenspalts erfolgt kontaktfrei im Bereich des Düsenspalts 26.
- • Sehr kompakte Bauweise aufgrund der tellerförmigen Drosselmembran 10.
- • Uneingeschränkter Regelbereich, der gesamte Kurbelgehäuseentlüftungsgas-Volumenstrom wird durch den Düsenspalt geleitet, keine zusätzlichen Strömungsquerschnitte als By-Pass zur offenbarten Ölabscheidevorrichtung erforderlich.
- • Hohe mechanische Beständigkeit der tellerförmigen Drosselmembran 10 gegenüber hohen Saugunterdrücken aufgrund der Drosselmembran-Abstützfläche 31.
- • Hohe Beständigkeit der Drosselmembran gegenüber den Kurbelgehäuseüberdrücken, die bei Überdruck-Dichtheitsprüfungen des Brennkraftmaschinen-Herstellers vor der ersten Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine aufgebracht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3701587 C1 [0009]
- EP 2052136 B1 [0011]
- DE 4404709 C1 [0012]
- DE 112007003054 B4 [0013]
- DE 102014223291 A1 [0014]
- EP 2531273 B1 [0015]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Verbrennungsmotor, Vieweg + Teubner Verlag, Auflage 2002, Seite 144, Bild 7–78 [0019]
