DE102004045630A1

DE102004045630A1 - Zentrifugalabscheider

Info

Publication number: DE102004045630A1
Application number: DE200410045630
Authority: DE
Inventors: Heiko Dipl.-Ing. Bock (FH); Jan-Mirko Dipl.-Ing. Rückert
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Bock Heiko Dipl-Ing (fh) 74232 Abstatt De; RUECKERT, JAN-MIRKO, DIPL.-ING., 70619 STUTTGA, DE
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2006-04-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zentrifugalabscheider (1) zur Abscheidung von Öl (9) oder dgl. aus einem Aerosolstrom (2), insbesondere zur Entlüftung eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, mit einer auf einer drehend angetriebenen oder antreibbaren Welle (3) drehfest angeordneten und zur Wellenachse (4) konzentrischen Zentrifugalkammer (5), mit einem an ihrer einen Stirnseite (6) nahe des Wellenumfangs angeordneten Einlassbereich (7) für aerosolbeladene Blowby-Gase (2), mit einem davon über einen labyrinthischen Weg innerhalb der Zentrifugenkammer (5) getrennten Auslass (10) für die im Wesentlichen aerosolfreien Gase (11) und mit im Umfang der Zentrifugenkammer (5) angeordneten Ausgängen (8) für abgeschiedenes Aerosol (9). Erfindungswesentlich ist dabei, dass axial vor dem Einlassbereich (7) eine Vorabscheidevorrichtung (12) mit einer radialen Zufuhr der aerosolbeladenen (Blowby)-Gase (2) sowie mit der Welle (3) rotierende aerodynamische Elemente (13) vorgesehen sind, die erfasste Aerosole (9) nach radial außen werfen/schleudern.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zentrifugalabscheider zur Abscheidung von Öl oder dergleichen aus einem Aerosolstrom, insbesondere zur Entlüftung eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Betrieb üblicher als Kolbentriebwerke ausgebildeter Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen und dgl. ist es auf Grund geringer Undichtigkeiten an den Kolbenringspalten unvermeidlich, dass aus den Verbrennungsräumen der Brennkraftmaschine sogenannte Blowby-Gase in das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine entweichen. Deshalb muss das Kurbelgehäuse entlüftet werden, wobei es zur Vermeidung von Schadstoffemissionen in die Atmosphäre üblich bzw. vorgeschrieben ist, die aus dem Kurbelgehäuse abgeführten Gase in die Luft einzuleiten, die der Brennkraftmaschine für den Verbrennungsprozess zugeführt wird. Zur Abfuhr der Gase aus dem Verbrennungsraum können ein auf der Lufteinlassseite der Brennkraftmaschine auftretender Unterdruck genutzt oder Sauggebläse oder dgl. eingesetzt werden. Da sich beim Betrieb der Brennkraftmaschine im Kurbelgehäuse regelmäßig Öl-Aerosole bilden, sind die aus dem Kurbelgehäuse abgeführten Gase mit Öl-Aerosolen befrachtet, die jedoch vom Verbrennungsprozess und damit von den Brennräumen der Brennkraftmaschine ferngehalten werden sollen. Deshalb werden bekannter Weise bei Brennkraftmaschi nen Separatoren, beispielsweise Zentrifugalabscheider, verwendet, um das aus dem Kurbelgehäuse abgeführte, aerosolbeladenen Blowby-Gas vom Öl zu trennen.

Aus der DE 102 26 695 A1 ist ein derartiger Zentrifugal-Ölabscheider zur Entlüftung eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine bekannt. Der Zentrifugal-Ölabscheider weist ein auf einer rotierenden Zentrifugenwelle drehfest aufgesetztes Zentrifugengehäuse auf, das aus Kunststoff gefertigt ist. In das Zentrifugengehäuse ist eine Metallbuchse integriert, die auf die Zentrifugenwelle aufgeschoben ist. Das Zentrifugengehäuse und die Metallbuchse bilden eine vorgefertigte Einheit, die auf die Welle aufzuschieben und mit dieser leicht zu verbinden ist. Die Metallbuchse kann dabei hohe Haltekräfte übertragen, so dass eine sichere Befestigung auf der Zentrifugenwelle möglich ist. Durch das aus Kunststoff ausgebildete Zentrifugengehäuse ergeben sich ein geringes Gewicht und dadurch geringe Belastungen der Gehäusewände durch Zentrifugalkräfte.

Aus der DE 102 51 940 A1 ist ein Zentrifugalabscheider zur Abscheidung von Öl aus einem Gasstrom, insbesondere bei der Entlüftung des Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, bekant. Der Zentrifugalabscheider besitzt ein Gehäuse, in dem Strömungsleitvorrichtungen angeordnet sind, die drehfest mit einer Antriebswelle verbunden sind, wogegen das Gehäuse des Zentrifugalabscheiders drehfest gehalten ist. Der im Gehäuse ausgebildete Gasauslass muss somit nicht gegenüber dazu bewegten Teilen abgedichtet werden.

Aus der DE 101 28 465 A1 ist ein Ölseparator zur Kurbelgehäuseentlüftung bekannt. Hierbei ist innerhalb des Ölseparators ein Fördermittel zur Förderung des mit aerosolbeladenen Blowby-Gases angeordnet. Das Fördermittel beinhaltet zumindest ein erstes und ein zweites Flügelzellenrad, wodurch sich ein mehrstufiger Reinigungs- bzw. Trennungsprozess der aerosolbeladenen Blowby-Gase ergibt. Das Gehäuse des Ölseparators ist drehfest gehalten, wogegen die Flügelzellenräder innerhalb der jeweiligen Kammer eine Zentrifugalströmung erzeugen und dadurch eine Trennung des Aerosolgasstromes bewirken.

Aus der DE 199 47 143 C1 ist eine weitere Entlüftungsvorrichtung für ein Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine bekannt, welche mit einem mit einer rotierende Welle der Brennkraftmaschine verbundenen Zentrifugal-Ölabscheider versehen ist. Um die Funktionssicherheit zu verbessern und den Aufbau der Vorrichtung mit geringem Aufwand zu vereinfachen, ist die den Zentrifugal-Ölabscheider tragende Welle als eine Ausgleichswelle mit einem Ausgleichsgewicht ausgebildet und das Ausgleichsgewicht zumindest teilweise in das Gehäuse des Zentrifugal-Ölabscheiders integriert.

Schließlich ist aus der DE 198 03 872 A1 eine weitere Entlüftungsvorrichtung für ein Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine bekannt. Diese weist einen um eine Drehachse drehbar gelagerten und antreibbaren Zentrifugal-Ölabscheider auf, der ein Gehäuse mit einem Einströmkanal für die Zufuhr des Öl-Luft-Gemisches und eine Abströmöffnung für die Ableitung von Reinluft umfasst. Dabei verläuft der Einströmkanal mit radialem Versatz und im wesentlichen achsparallel zur Drehachse des Ölabscheiders. In Folge dessen stehen die Richtungsvektoren des einströmenden Öl-Luft-Gemischs und der im Einströmkanal radial nach außen geschleuderten Ölpartikel etwa senkrecht zueinander, so dass beide Strömungen weitestgehend voneinander entkoppelt sind.

Generell besteht bei Zentrifugalabscheidern die Gefahr, dass größere Ölmengen ins Innere des Abscheiders gelangen und die sen dadurch dynamisch verschließen können, so dass ein zur Entlüftung des Kurbelgehäuses erforderlicher Gasdurchsatz durch den Zentrifugalabscheider nicht mehr gewährleistet werden kann. Die Folge hiervon ist ein extremer Anstieg des Gasdrucks im Kurbelgehäuse.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Zentrifugalabscheider eingangs erwähnter Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, mit welchem insbesondere ein dynamisches Verschließen desselben vermieden werden kann.

Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Zentrifugalabscheiders zur Abscheidung von Öl oder dergleichen aus einem Aerosolstrom axial vor einem Einlassbereich für aerosolbeladene Blowby-Gase zu einer drehbaren Zentrifugenkammer eine Vorabscheidevorrichtung mit einer radialen Zufuhr vorzusehen.

Der Zentrifugalabscheider, welcher beispielsweise zur Entlüftung eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine dient, weist eine auf einer drehend angetriebenen oder antreibbaren welle drehfest angeordnete und zur Wellenachse konzentrisch ausgerichtete Zentrifugenkammer auf, die einen an ihrer einen Stirnseite nahe des Wellenumfangs angeordneten Einlassbereich besitzt. Dieser Einlassbereich ist wie oben erwähnt für ein aerosolbeladene Blowby-Gase bestimmt, welche danach über einen labyrinthischen Weg innerhalb der Zentrifugenkammer strömen und dabei getrennt werden. Um zu verhindern, dass übermäßig große Öl-Aerosolmengen in die Zentrifugenkammer gelangen und diese dynamisch verschließen könnten, ist erfindungsgemäß axial vor dem Einlassbereich in die Zentrifugenkammer die Vorabscheidevorrichtung angeordnet, welche mit der Welle rotierende aerodynamische Elemente aufweist, die die radial zugeführten Aerosole radial nach außen werfen bzw. schleudern und dadurch eine Vortrennung der aerosolbeladenen Blowby-Gase von der mitgeführten Ölfracht bewirken.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein Eintrag größerer Ölmengen in den Zentrifugalabscheider verhindert und dadurch ein dynamischer Verschluss des Abscheiders vermieden, was zu einer mangelhaften Entlüftung des Kurbelgehäuses und zu einem extremen Anstieg eines Kurbelgehäusedrucks führen kann. Hierdurch wird einerseits eine Schonung der mit dem erfindungsgemäßen Zentrifugalabscheider ausgestatteten Brennkraftmaschine erreicht und zum anderen die Funktionssicherheit des Zentrifugalabscheiders erhöht. Darüber hinaus kann durch die erfindungsgemäße Anordnung der Vorabscheidevorrichtung in axialer Nachbarschaft direkt neben der Zentrifugenkammer eine besonders kompakte Bauweise erreicht werden, wodurch der erfindungsgemäße Zentrifugalabscheider nur unwesentlich mehr Bauraum benötigt, als ein herkömmlicher, einstufiger Zentrifugalabscheider. Beispielsweise können durch den verminderten Eintrag von Öl oder dergleichen in den Zentrifugalabscheider auch Reparatur- und/oder Wartungsintervalle verlängert werden, wodurch sich insbesondere die Kosten während des Betriebs der Brennkraftmaschine senken lassen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind die aerodynamischen Elemente als Prallelemente mit radial und axial zur Antriebswelle erstreckten Prallflächen ausgebildet. Die derart ausgebildeten Prallelemente bewirken somit, dass ein nicht unerheblicher Teil des im Aerosolstroms mitgeführten Aerosols erfasst und radial nach außen geworfen wird und dadurch bereits in der Vorabscheidevorrichtung eine zuverlässige Trennung bzw. Reinigung des aerosolbeladenen Gasstromes erfolgt. Die Prallelemente verhindern darüber hinaus, dass größere Ölmengen in die nachgeschaltete Zentrifugalkammer gelangen, so dass die Zentrifugalkammer immer hochwirksam arbeiten kann.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung bildet die als Hohlwelle ausgebildete Antriebswelle einen Kanal für die gereinigten Blowby-Gase. Die Zentrifugenkammer weist einen wellenseitigen Auslass auf, durch welchen die im wesentlichen aerosolfreien Gase in einen Hohlraum innerhalb der Antriebswelle strömen, von wo die Gase der den Brennräumen des Motors zugeführten Luft zugeführt werden können. Somit sind für die gereinigten Gase zusätzliche Leitungen entbehrlich, welche zum einen zusätzlichen Bauraumbedarf benötigen und zum anderen aufgrund der rotierenden Bewegung der Antriebswelle schwierig anzuordnen sind.

Zweckmäßig sind die Prallelemente einerseits fest mit der Zentrifugenkammer und andererseits fest mit einer die Vorabscheidevorrichtung begrenzenden Ringscheibe verbunden. Dies bietet den Vorteil, dass die Prallelemente aerodynamisch günstig angeordnet sind und zugleich eine Fixierung der die Vorabscheidevorrichtung begrenzenden Ringscheibe bilden. Die Prallelemente sind somit an drei Seiten, nämlich an der Ringscheibe, dem Wellenumfang und der Zentrifugenkammer, gehaltert.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Dabei zeigt die einzige 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Zentrifugalabscheider mit einer Vorabscheidevorrichtung.
Entsprechend 1 weist ein Zentrifugalabscheider 1 zur Abscheidung von Öl oder dergleichen aus einem Aerosolstrom 2, insbesondere zur Entlüftung eines nicht gezeigten Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, eine drehend angetriebene oder antreibbare Welle 3 sowie eine zur Wellenachse 4 konzentrische Zentrifugenkammer 5 auf. An einer Stirnseite 6 der Zentrifugenkammer 5 ist nahe des Wellenumfangs ein Einlassbereich 7 für die aerosolbeladenen Blowby-Gase 2 angeordnet. Die Zentrifugenkammer 5 weist einen im Umfang radial nach außen abgehenden Ausgang 8 für abgeschiedenes Aerosol bzw. Öl 9 auf sowie einen davon getrennt liegenden Auslass 10 für die im wesentlichen aerosolfreien Gase 11.
Erfindungsgemäß sind nun axial vor dem Einlassbereich 7 eine Vorabscheidevorrichtung 12 mit einer radialen Zufuhr der aerosolbeladenen Blowby-Gase 2 sowie mit der Welle 3 rotierende aerodynamische Elemente 13 vorgesehen, welche die erfassten Aerosole 9 radial nach außen werfen bzw. schleudern.
Die aerodynamische Elemente 13 können beispielsweise als Prallelemente ausgebildet sein und radial und axial zur Antriebswelle 3 erstreckende Prallflächen aufweisen. Wie in 1 gezeigt, sind die Prallelemente dabei einerseits fest mit einer Wand 14 der Zentrifugenkammer 5 verbunden und andererseits mit einer die Vorabscheidevorrichtung 12 begrenzenden Ringscheibe 15. Bei einer Drehung des Zentrifugalabscheiders 1 um die Wellenachse 4 bewirken die aerodynamischen Elemente 13, dass bereits in der Vorabscheidevorrichtung 12 ein nicht unerheblicher Teil des Öls 9 bzw. der Aerosole aus dem Aerosolstrom 2 getrennt und. radial nach außen geschleudert werden. Hierdurch wird verhindert, dass eine zu große Ölmenge in die Zentrifugenkammer 5 eingetragen wird und dadurch ein dynamischer Verschluss des Zentrifugalabscheiders 1 bewirkt wird. Die Vorabscheidevorrichtung 12 stellt somit eine erste Reinigungs- bzw. Trennstufe dar, in welcher eine Vortrennung bzw. Vorreinigung des Aerosolstroms 2 stattfindet.
Gemäß 1 ist die Welle 3 als Hohlwelle ausgebildet und bildet eine Kanal 16 für die gereinigten, d.h. aerosolfreien, Gase 11. Die gereinigten Gase 11 werden somit nach Verlassen der Zentrifugenkammer 5 im Kanal 16 innerhalb der Antriebswelle 3 weitergeleitet und beispielsweise einer erneuten Verbrennung zugeführt. Hierdurch sind zusätzliche Leitungen entbehrlich, was eine kompakte Bauweise des Zentrifugalab scheiders 1 begünstigt und diesen zusätzlich konstruktiv vereinfacht. Insbesondere kann der Antriebswelle 3 eine Zusatzfunktion, nämlich die Leitung von gereinigten Gasen 11, zugewiesen werden.
Um die Zentrifugenkammer 5 ist, wie in 1 gezeigt, zumindest teilweise in radialer Richtung ein Aerosolauffangraum 17 angeordnet, wobei denkbar ist, dass die Vorabscheidevorrichtung 12 und die Zentrifugenkammer 5 entweder jeweils einen separaten oder einen gemeinsamen Aerosol- bzw. Ölauffangraum 17 besitzen.
Im Folgenden soll kurz die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Zentrifugalabscheiders 1 erläutert werden:
Während eines Arbeitsprozesses in Verbrennungskraftmaschinen entsteht beispielsweise durch geringe Undichtigkeiten im Bereich einer Kolbenringspalte ein Druckverlust, der dazu führt, dass aus dem Verbrennungsraum die als Blowby-Gase 2 bezeichneten Verbrennungsgase in das Kurbelgehäuse entweichen. Im Kurbelgehäuse befinden sich beispielsweise von der Antriebskette des Nockenwellentriebes herrührende Öltröpfchen, die von den Verbrennungsgasen aufgenommen werden. Um eine durch eine unerwünschte Ölverbrennung verursachte Schadstoffemission zu senken, werden im Zentrifugalabscheider 1 Aerosole 9 aus dem Aerosolstrom 2 abgetrennt, bevor die aus dem Kurbelgehäuse abgeführten Gase dem Verbrennungsprozess der Brennkraftmaschine zugeführt werden.
Zunächst strömt der Aerosolstrom 2 in den Vorabscheider 12, in welchem die aerodynamischen Elemente 13 angeordnet sind, welche die erfassten Aerosole 9 unmittelbar wieder radial nach außen schleudern bzw. werfen, wodurch in der Vorabscheidevorrichtung 12 eine erste Trennung bzw. Reinigung des Aero solstroms 2 erfolgt. Die Abscheidung der Aerosole 9 in der Vorabscheidevorrichtung 12 bzw. im Zentrifugenraum 5 erfolgt dabei über Fliehkräfte, welche bewirken, dass die im Vergleich zum Gas schwereren Aerosole 9 bzw. Öle 9 radial nach außen beschleunigt werden. Der nun zumindest teilweise gereinigte Aerosolstrom 2 strömt über den Einlassbereich 7 in die Zentrifugenkammer 5, in welcher aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung um die Wellenachse 4 weitere Aerosolbestandteile 9 abgeschieden werden. Dabei können die abgeschiedenen Aerosole 9 sowohl von der Vorabscheidevorrichtung 12 als auch aus der Zentrifugenkammer 5 in einem gemeinsamen oder einem jeweils separaten Aerosolauffangraum 17 gesammelt werden. Der Auffangraum bzw. die Auffangräume 17 sollen so ausgebildet sein, dass der Aerosolstrom nur über die Vorabscheidevorrichtung 12, nicht aber über die Öffnungen 8 in die Zentrifugenkammer 5 gelangt.
Nach der Abscheidung strömen die nun aerosolfreien oder zumindest aerosolreduzierten Gase 11 durch den Auslass 10 in den Kanal 16 innerhalb der Welle 3.
Die erfindungsgemäße Lösung bietet den großen Vorteil, dass im Vergleich zu herkömmlichen Trägheitsabscheidern keine größeren Ölmengen in die Zentrifugenkammer 5 gelangen und diese dynamisch verschließen können, da diese bereits in der axial vor dem Einlassbereich 7 angeordneten Vorabscheidevorrichtung 12 vorgetrennt bzw. vorabgeschieden werden. Insgesamt wird hierdurch ein verbesserter Abscheidegrad erreicht und die Lebensdauer des Zentrifugalabscheiders 1 erhöht. Gleichzeitig können Schäden, die in Folge eines extremen Anstiegs des Kurbelgehäusedrucks hervorgerufen durch einen Verschluss des Zentrifugalabscheiders 1, vermieden werden. Hierdurch lässt sich die Reparatur- und Wartungsanfälligkeit deutlich reduzieren. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Vorabschei devorrichtung 12 axial vor dem Einlassbereich 7 kann darüber hinaus eine besonders kompakte Bauweise erreicht werden, so dass das mehr an Bauraum im Vergleich zu herkömmlichen Zentrifugalabscheidern gering ausfällt.

Claims

Zentrifugalabscheider (1) zur Abscheidung von Öl (9) oder dgl. aus einem Aerosolstrom (2), insbesondere zur Entlüftung eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, – mit einer auf einer drehend angetriebenen oder antreibbaren Welle (3) drehfest angeordneten und zur Wellenachse (4) konzentrischen Zentrifugenkammer (5), – mit einem an ihrer einen Stirnseite (6) nahe des Wellenumfangs angeordneten Einlassbereich (7) für aerosolbeladene Blowby-Gase (2), – mit einem davon über einen labyrinthischen Weg innerhalb der Zentrifugenkammer (5) getrennten Auslass (10) für die im wesentlichen aerosolfreien Gase (11) und – mit im Umfang der Zentrifugenkammer (5) angeordneten Ausgängen (8) für abgeschiedenes Aerosol (9), dadurch gekennzeichnet, dass axial vor dem Einlassbereich (7) eine Vorabscheidevorrichtung (12) mit einer radialen Zufuhr der aerosolbeladenen (Blowby-)Gase (2) sowie mit der Welle (3) rotierende aerodynamische Elemente (13) vorgesehen sind, die erfasste Aerosole (9) nach radial außen werfen/schleudern.
Zentrifugalabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aerodynamischen Elemente (13) als Prallelemente mit radial und axial zur Antriebswelle (3) erstreckten Prallflächen ausgebildet sind.
Zentrifugalabscheider nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallelemente einerseits fest mit der Zentrifugenkammer (5) und andererseits fest mit einer die Vorabscheidevorrichtung (12) begrenzenden Ringscheibe (15) verbunden sind.
Zentrifugalabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die als Hohlwelle ausgebildete Antriebswelle (3) einen Kanal (16) für die gereinigten Blowby-Gase (11) bildet.
Zentrifugalabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass um die Zentrifugenkammer (5) zumindest teilweise in radialer Richtung ein Aerosolauffangraum (17) angeordnet ist.
Zentrifugalabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorabscheidevorrichtung (12) und die Zentrifugenkammer (5) jeweils einen separaten Aerosolauffangraum (17) besitzen.