DE102005042725A1

DE102005042725A1 - Axialzyklon als Ölnebelabscheider eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102005042725A1
Application number: DE102005042725A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Beetz; Andreas Enderich; Hartmut Dr. Sauter; Torsten Schellhase; Jürgen Stehlig
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2004-09-23
Filing date: 2005-09-08
Publication date: 2006-04-27

Abstract

Ein Axialzyklon als Ölnebelabscheider eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors mit einem rohrförmigen, um die Rohrachse rotationsfähigen und im Abscheidebetrieb um diese Achse rotierenden Abscheidegehäuse (1) und einem in diesem vorgesehenen Drallerzeuger (6) soll rationell herstell- und betreibbar sein. DOLLAR A Zu diesem Zweck übt ein erfindungsgemäßer Axialzyklon ausschließlich die Funktion eines Ölnebelabscheiders aus.

Description

Die Erfindung betrifft einen Axialzyklon als Ölnebelabscheider eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Axialzyklone sind in vielfachen Ausführungen bereits bekannt und zwar beispielsweise aus DE 102 26 695 A1 , JP 01-2 84 634 A, US 4,651,705 und DE 199 31 740 A1 . Diese bekannten Axialzyklone sind jeweils in die Nockenwelle eines Verbrennungsmotors integriert. Voraussetzung hierfür ist, dass solche Nockenwellen als Hohlwellen ausgebildet sind.

Darüber hinaus ist es auch noch bekannt, derartige Axialzyklone in die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors ( DE 196 08 503 C2 ) oder in Ausgleichswellen eines Verbrennungsmotors ( DE 197 06 383 C2 ) zu integrieren.

Bei diesen Integrationslösungen sind die zu treffenden Integrationsmaßnahmen teilweise recht aufwändig. Darüber hinaus ist eine Integration in drehende Motorelemente nur dann möglich, wenn diese bereits hohl rohrförmig ausgenommen sind oder solche Ausnehmungen einfach in diesen vornehmbar sind.

Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, einen Ölnebelabscheider eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors in einer möglichst einfachen Form bei einer gleichzeitig guten Effizienz als einen gattungsgemäßen Axialzyklon auszubilden.

Gelöst wird dieses Problem in erster Linie bereits durch eine Ausbildung eines solchen Axialzyklons nach dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen gattungsgemäßen Axialzyklon völlig integrationsfrei von anderen Funktionselementen in bzw. an dem Verbrennungsmotor in einem Bereich vorzusehen, der hierfür ausreichend Platz bietet. Dieser Bereich kann grundsätzlich innerhalb oder außerhalb des Motorgehäuses liegen. Innerhalb des Motorgehäuses bedeutet im vorgenannten Sinne innerhalb eines von den Kurbelraumgasen, in dem der Ölnebel vorliegt, beaufschlagten Raum, der nach außen gedichtet ist.

Für sämtliche Ausführungsarten unabhängig davon, ob ein Einsatz innerhalb oder außerhalb des Motorgehäuses erfolgt, besteht der Axialzyklon im wesentlichen lediglich aus einem rohrförmigen Abscheidegehäuse, das im einfachsten Fall ein einfaches Rohr ist, das möglichst reibungsarm innerhalb des Motors ortsfest gelagert ist.

Der Antrieb des rohrförmigen Abscheidegehäuses, mit dem dieses in Rotation für einen Abscheidebetrieb gesetzt werden kann, kann sowohl durch einen eigenständigen, beispielsweise als Elektromotor ausgebildeten Antrieb oder durch die Mitbenutzung eines Antriebes für andere Funktionselemente erfolgen.

Bei einem Einsatz eines separaten Elektromotors kann das rohrförmige Abscheidegehäuse Bestandteil des Elektromotors sein, in dem dieses den Rotor eines solchen Motors bildet.

Möglich ist es auch, dass das rohrförmige Abscheidegehäuse ausschließlich durch den dieses Gehäuse durchströmenden Ölnebelstrom angetrieben wird. Der Antrieb erfolgt dabei durch den innerhalb des rohrförmigen Abscheidegehäuses angebrachten Drallerzeuger, der die Strömungsenergie des Ölnebelstromes in Rotationsenergie umsetzt.

Bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Axialzyklons innerhalb eines Motorgehäuses kann dessen stromabseitiges Ende für einen Gasrückstrom, das heißt für einen Rückstrom von von Öltröpfchen befreiter Kurbelgehäuseluft ausgebildet sein. Näheres hierzu kann der nachfolgenden Beschreibung eines entsprechenden Ausführungsbeispieles entnommen werden.

Wiederum bei einem Einsatz des Axialzyklons innerhalb eines Motorgehäuses kann einströmungsseitig eine Vorabscheideeinrichtung vorgesehen sein, wie sie im Einzelnen ebenfalls einem der beiden nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen entnommen werden kann.

Insbesondere auch bei einem Einsatz eines Axialzyklons außerhalb eines Motorgehäuses können zu- und abströmseitig Dichtungen vorgesehen werden, die lediglich in der Form einer Spaltdichtung dichten, das heißt nicht absolut dicht sind. Ermöglicht wird dies dadurch, dass der Ölnebelstrom mit Unterdruck durch das Abscheidegehäuse gesaugt wird und zwar zum Luftansaugstutzen des Verbrennungsmotors hin.

Das Druckgefälle innerhalb des Abscheidegehäuses kann gegebenenfalls durch den Einsatz einer Pumpe erhöht werden.

Vorteilhafte, nachstehend näher erläuterte Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung jeweils schematisch dargestellt.

In dieser zeigen
1 einen Längsschnitt durch einen, außerhalb eines Motorgehäuses angebrachten Axialzyklon,
2 einen Schnitt durch einen innerhalb eines Motorgehäuses angebrachten Axialzyklon,
Ausführung nach 1
Das Kernstück des Axialzyklons besteht aus einem rohrförmigen Abscheidegehäuse 1. Gelagert ist dieses in motorfesten Widerlagern über möglichst reibungsarme Lager 2. Anströmseitig führt ein Zuführkanal 3 einen Ölnebelstrom axial in das Inneres des rohrförmigen Abscheidegehäuses 1. Der Zuführkanal 3 greift dabei umfangsmäßig mit einem äußerst geringen Spiel in das Innere des rohrförmigen Abscheidegehäuses 1 ein, wodurch bereits eine ausreichende Dichtung gegeben sein kann, wenn bei Betrieb des Axialzyklones in dessen Innerem ein ausreichender Unterdruck gegenüber der Atmosphäre herrscht.
Abtriebsseitig greift das rohrförmige Abscheidegehäuse 1 mit seinem Außenumfang in einen trichterförmigen Aufnahmeraum 4 ein, der motorfest ist. In dem Bereich, in dem das rohrförmige Abscheidegehäuse 1 in den Aufnahmeraum 4 eingreift, ist es an dessen Außenwand über eines der Lager 2 gelagert. Dieses Lager 2 kann als ein zumindest weitgehend dichtendes Lager ausgebildet sein, wodurch das Innere des Aufnahmeraumes 4 bereits ausreichend gegenüber Atmosphäre gedichtet sein kann. Axial fluchtend zu dem rohrförmigen Abscheidegehäuse 1 führt aus dem Aufnahmeraum 4 ein Abführkanal 5. Innerhalb des rohrförmigen Abscheidegehäuses 1 befindet sich ein Drallerzeuger 6. Bei Betrieb des Axialzyklones rotiert dieser und wird von Ölnebel in Richtung von dem Zuführkanal 3 zu dem Abführkanal 5 durchströmt. Abgeschiedene Öltröpfchen sinken schwerkraftmäßig in dem Aufnahmeraum 4 nach unten ab und können durch eine Abflussöffnung 7 aus diesem austreten.
Ein Antriebselement für den rohrförmigen Abscheidebehälter 1, durch den dieser in Rotation versetzt wird, ist in der Zeichnung, die die Einrichtung lediglich schematisch darstellen soll, nicht eingetragen. Ein solcher Antrieb kann jedoch an jeder beliebigen Stelle des rohrförmigen Abscheidegehäuses 1 angreifen. Gegebenenfalls kann auf einen getrennten Antrieb verzichtet werden, wenn die Strömungsenergie des Ölnebelstromes ausreichend ist, um das rohrförmige Abscheidegehäuse 1 über den Drallerzeuger 6 anzutreiben. In einem solchen Fall muss für äußerst reibungsarme Lager 2 gesorgt werden, was grundsätzlich möglich ist. Ausreichende Strömungsenergie kann gegebenenfalls auch durch den Einsatz einer Pumpe zur Förderung des Ölnebels durch den Axialzyklon hindurch erzeugt werden. Ein Axialzyklon in der Ausführung nach 1 kann beispielsweise in einer Abdeckhaube eines Verbrennungsmotors vorgesehen sein. Insbesondere können nahezu sämtliche Teile des erfindungsgemäßen Axialzyklons wirtschaftlich günstig herstellbare Kunststoffteile sein. Auch die Widerlager und Anschlüsse für den Axialzyklon können in Elemente des Motors, die insbesondere aus Kunststoff bestehen, rationell integriert werden.
Ausführungsbeispiel nach 2
Der Axialzyklon nach 2 ist innerhalb eines Motorgehäuses 14 untergebracht. Der grundsätzliche Aufbau dieses Axialzyklons entspricht demjenigen nach der Ausführung in 1. Funktionsgleiche Elemente sind daher mit gleichen Bezugszeichen belegt.
Unterschiede bestehen bei der Zu- und Abfuhr des Ölnebels bzw. der aus dem Ölnebel abzuführenden voneinander getrennten Komponenten.
Einströmseitig ist ein Vorabscheider 8 vorgesehen. Innerhalb dieses Vorabscheiders 8, dessen Aufbau nachstehend noch näher erläutert wird, befinden sich radiale Zuführöffnungen 9 in das Innere des rohrförmigen Abscheidegehäuses 1.
Der Vorabscheider 8 wird gebildet von einem Trichter 10, der im Bereich der Zuführöffnungen 9 das rohrförmige Abscheidegehäuse 1 in der Form eines konischen Mantels koaxial umgreift. Der konische Mantel des Trichters 10 besitzt ein axial geschlossenes und ein axial offenes Ende, wobei das geschlossene Ende an dessen engem und das offene Ende an dessen weitem Öffnungsquerschnitt liegt.
In dem Hohlraum des rohrförmigen Abscheidegehäuses 1 ist mit einem relativ geringen axialen Abstand zu den Zuführöffnungen 9 der Drallerzeuger 6 vorgesehen. Dieser Drallerzeuger 6 hat wie bei der Ausführung nach 1, bei dessen Beschreibung hierauf nicht näher eingegangen ist, die Aufgabe, den, den Hohlraum des rohrförmigen Abscheidegehäuses durchströ menden Ölnebelstrom in eine Drallströmung zu versetzen, um hierdurch stromab des Drallerzeugers 6 eine Anlagerung abgetrennten, flüssigen Öls an der Innenwand des rohrförmigen Abscheidegehäuses 1 in einem besonders hohen Maße erzielen zu können. Der sich durch eine solche Anlagerung ergebende Ölfilm ist in der Zeichnung mit wandnahen Strömungspfeilen angedeutet. Der von flüssigen Ölanteilen zumindest weitgehend befreite gasförmige Anteil des Ölnebelstromes ist stromab des Drallerzeugers 6 durch fett gezeichnete Strömungspfeile herausgestellt.
Die Innenmantelfläche des konischen Mantels des Trichters 10 ist insbesondere schneckenförderartig ausgebildet und zwar in einem Bereich, der in der Zeichnung mit jeweils einer strichpunktierten Linie 11 umrissen ist. Beim Durchströmen des Ringraumes innerhalb des konischen Mantels des Trichters 10 wird der Ölnebelstrom von dem sich drehenden, rohrförmigen Abscheidegehäuse 1, mit dem der konische Mantel fest verbunden ist, in Rotation versetzt, bevor dieser Ölnebelstrom in die radialen Zuführungsöffnungen 9 in das Innere des rohrförmigen Abscheidegehäuses 1 gelangt. Durch den konischen bzw. trichterförmigen Verlauf des konischen Mantels entsteht in dem durch Zentrifugalkräfte als Ölfilm an der Innenwand des konischen Mantels abgeschiedenen Öl eine axiale Kraftkomponente in Richtung des axial offenen Endes des konischen Mantels. Diese Axialkomponente resultiert daraus, dass die Zentrifugalkraft mit zunehmendem Innendurchmesser der Innenfläche des konischen Mantels zunimmt, wodurch sich ein positiver Zentrifugalkraftgradient in Richtung des offe nen Endes des konischen Mantels ergibt. Dieser Gradient führt wiederum zu einer axialen Kraftkomponente in Richtung des offenen Endes des konischen Mantels, die am Innenumfang des konischen Mantels abgeschiedenes Öl zum axial offenen Ende treibt, von wo es abströmen kann. Damit erfüllt der konische Mantel die Funktion eines Vorabscheiders 8.
Die Hauptabscheidung erfolgt im Hohlraum des rohrförmigen Abscheidegehäuses 1. Der durch die radialen Zuführungsöffnungen 9 in den Hohlraum eindringende Ölnebelstrom wird durch den axial relativ nahe zu diesen Öffnungen 9 im Hohlraum des rohrförmigen Abscheidegehäuses 1 liegenden Drallerzeuger 6 in Drall versetzt. Hierdurch können sich flüssige Ölanteile innerhalb des Ölnebelstromes besonders wirkungsvoll als Ölfilm an der Innenwandung des Hohlraumes des rohrförmigen Abscheidegehäuses 1 absetzen.
Eine Strömung des Ölnebels durch den konischen Mantel als Vorabscheider 8 sowie den Hohlraum innerhalb des rohrförmigen Abscheidegehäuses 1 wird durch einen Unterdruck erzeugt, dem der Hohlraum des rohrförmigen Abscheidegehäuses ausgesetzt ist.
An dem zu dem Drallerzeuger 6 abströmseitig gelegenen Ende erfolgt eine getrennte Abfuhr einerseits abgetrennter Ölflüssigkeit durch eine Abflussöffnung 7 sowie andererseits des Gasanteiles, der durch einen Abführkanal 6 abgeführt wird. Der Abführkanal 5 ist axial gegenüber der Achse des rohrförmigen Abscheidegehäuses 1 fluchtend angeordnet. Er besitzt axialen Abstand gegenüber dem rohrförmigen Abscheidegehäuse 1, da zwischen ihm und dem Ende des rohrförmigen Abscheidegehäuses 1 ein Aufnahmeraum 4 vorgesehen ist. Von dem Ende des rohrförmigen Abscheidegehäuses 1 aus ragt mit diesem fest verbunden ein Trichterbereich 12 in den Aufnahmebereich 4. Zwischen dem Außenumfang dieses Trichterbereiches 12 und einer etwa komplementär verlaufenden Außenwand des Aufnahmebereiches 4 existiert ein Strömungsringkanal 13. Dieser Strömungsringkanal 13 mündet im Bereich des engen Endes des Trichterbereiches 12 nach außen in den von der Motorgehäusewand 14 eingeschlossenen Motorgehäuse-Innenraum 15. Um eine Rückströmung von Gasanteilen aus dem Ölnebelstrom, die von Ölanteilen befreit sind, zu bewirken bzw. zu fördern, sind auf dem Außenumfang des Trichterbereiches 12 entsprechende Strömungsleitmittel 16 vorgesehen.
Wie bei der Ausführung nach 1 sind eventuell erforderliche Antriebsmittel für das rohrförmige Abscheidegehäuse 1 in der Zeichnung nicht eingezeichnet. Wie bei der Ausführung nach 1 kann die Rotationsenergie für das rohrförmige Abscheidegehäuse 1 eventuell in ausreichender Form von dem Ölnebelstrom selbst aufgebracht und in dem Drallerzeuger umgesetzt werden.
Alle in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Form miteinander kombiniert erfindungswesentlich sein.

Claims

Axialzyklon als Ölnebelabscheider eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors mit einem rohrförmigen, um die Rohrachse rotationsfähigen und im Abscheidebetrieb um diese Achse rotierenden Abscheidegehäuse (1) und einem in diesem vorgesehenem Drallerzeuger (6), dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheidegehäuse (1) ausschließlich die Funktion eines Ölnebelabscheiders ausübt.
Axialzyklon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheidegehäuse (1) durch ausschließlich die von dem Ölnebelstrom ausgehende, auf den Drallerzeuger (6) als Antriebskraft einwirkende Strömungsenergie in abscheidewirksame Rotation versetzbar ist.
Axialzyklon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheidegehäuse (1) an einen elektromotorischen Antrieb angeschlossen ist.
Axialzyklon nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheidegehäuse (1) als Rotor des elektromotorischen Antriebes ausgebildet ist.
Axialzyklon nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem stromab liegenden, durch folgende Merkmale gekennzeichneten axialen Ende – das drehbar gelagerte rohrförmige Abscheidegehäuse (1) mündet in einen sich radial erweiternden Aufnahmeraum (4) eines ortsfesten Aufnahmegehäuses, – aus dem Aufnahmeraum (4) führt axial fluchtend zu der Rohrachse des Abscheidegehäuses (1) ein axial gegenüber dem betreffenden axialen Ende des rohrförmigen Abscheidegehäuses (1) beabstandeter Abführkanal (5) zur Ableitung des Gasanteiles des zuvor behandelten Ölnebels, während in einem geodätisch unten liegenden Bereich des Aufnahmeraums (4) eine Abflussöffnung (7) für abzuführendes Öl vorgesehen ist.
Axialzyklon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (4) trichterförmig mit sich stromab erweiterndem Durchmesser ausgebildet ist.
Axialzyklon nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das stromab liegende Ende des rohrförmigen Abscheidegehäuses (1) in einem konischen, in den Aufnahmeraum (4) hinein erstreckenden Trichterbereich (12) ausläuft, wobei sich zwischen dem Außenumfang des trichterförmigen Bereiches (12) und einer komplementär verlaufenden Außenwand des Aufnahmeraumes (4) ein Strömungsringkanal (13) mit einer etwa durchgehend gleichen Dicke mit einem offenen Auslauf an dessen, dem rohrförmigen Abscheidegehäuse (1) angrenzenden Ende ausgebildet ist.
Axialzyklon nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenseite des Trichterbereiches (12) Strömungsleitmmittel (16) zur Erzeugung einer sich zu dem nach außen offenen Ende des Strömungsringkanales (13) hin ausbildenden Strömung vorgesehen sind.
Axialzyklon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem rohrförmigen Abscheidegehäuse (1) eintrittseitig ein Zentrifugal-Ölnebelabscheider als fest mit dem Abscheidegehäuse (1) verbundener Vorabscheider (8) vorgelagert ist.
Axialzyklon nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorabscheider (8) als ein, in das Abscheidegehäuse (1) führende Ölnebelzuführöffnungen (9) radial umschließender, das rohrförmige Abscheidegehäuse (1) koaxial umgebender, konischer Mantel ausgebildet ist, wobei dessen enges Ende axial geschlossen und den radialen Zuführöffnungen (9) benachbart angeordnet ist.
Axialzyklon nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche des konischen Mantels des Trichters (10) des Vorabscheiders (8) förderschneckenförmig ausgebildet ist mit einer zu dem weiten Ende des konischen Mantels ausgelegten Förderrichtung für abgeschiedenes Öl.
Axialzyklon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ölnebelzu- und/oder -abfuhr in das beziehungsweise aus dem rohrförmigen Abscheidegehäuse (1) durch Übergänge zwischen einerseits einem ortsfesten Zuführkanal (3) und andererseits einem ortsfesten Abführkanal (5) gegenüber andererseits dem rohrförmigen Abscheidegehäuse (1) erfolgt, die reibungsfrei arbeitende Dichtungen in der Form eines Dichtspaltes aufweisen.