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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit aus einem Volumenstrom eines Gas-Flüssigkeitsgemisches, mit einem Abscheideelement und einer Umlenkungsanordnung zum Umlenken des Volumenstroms in Richtung auf das Abscheideelement, um Flüssigkeit an dem Abscheideelement niederzuschlagen und auf diese Weise aus dem Volumenstrom abzuscheiden, wobei die Umlenkungsanordnung mindestens einen Strömungskanal mit einem Volumenstrom-Einlass aufweist, wobei sich der Strömungskanal axial von dem Volumenstrom-Einlass weg erstreckt und eine Öffnungsfläche aufweist.
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Derartige Abscheidevorrichtungen sind vielfältig im Einsatz, insbesondere um Öl aus einem Fluidstrom abzuscheiden. Beispielsweise ist die Ölabscheidung aus dem so genannten Blow-by-Gas ein immer wichtigerer Bestandteil des Kurbelgehäuse-Entlüftungssystems im Verbrennungsmotor. Denn zum einen wirken sich Downsizing Maßnahmen auf die Menge und Aerosol-Zusammensetzung des Blow-by-Gases aus, zum anderen forcieren verschärfte Emissionsgesetze die Anforderungen an Ölabscheidesysteme.
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Beim Verbrennungsprozess entweicht Blow-by-Gas durch den konstruktionsbedingten Spalt zwischen Kolben(-ring) und Zylinderwand aus dem Brennraum in das Kurbelgehäuse beziehungsweise entlang der Ventilschaftdichtungen in den Ventilraum. Darin sind unter anderem Motoröl, Kraftstoffreste und Kondensat in Form von Aerosolen enthalten. Dieses Gasgemisch muss aus dem Kurbelgehäuse kontrolliert abgeführt und in einem geschlossenen Kreislauf wieder dem Ansaugtrakt und so dem Verbrennungsprozess zugeführt werden.
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Um die Abscheideleistung über den Volumenstrom des Gas-Flüssigkeitsgemisches auf einem möglichst gleichmäßig hohen Niveau zu halten, kommen meist schaltbare Abscheidesysteme zum Einsatz. Diese verfügen häufig über starre Düsenquerschnitte zur Beschleunigung des Gas-Flüssigkeitsgemisches gegen eine Prallwand oder ein Abscheidemedium und sind kombiniert mit einem Federelement, welches zusätzliche Düsenquerschnitte volumenstromabhängig freigibt. Beispielsweise sind im Stand der Technik Federelemente als Ventilplättchen ausgestaltet, welche am Ende einer gehäusefesten, rohrähnlichen Geometrie in Kombination mit dieser einen variablen Düsenquerschnitt in Form eines Ringspaltes bilden. Um eine genügend große Fläche eines Abscheideelements, wie insbesondere einer Prallwand, Prallfläche oder eines Abscheidemediums anzuströmen, sind in vielen Fällen vergleichsweise große Umfänge nötig, was mit Nachteil zu einem großen radialen Bauraum führt. Ein Beispiel für eine derartige Ölabscheidevorrichtung ist in der
DE 103 20 215 B4 offenbart. Auch die
EP 2 087 213 B1 macht eine derartige Vorrichtung zum Abscheiden von Ölteilchen aus dem Kurbelgehäuselüftungsgas einer Brennkraftmaschine vorbekannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem geschilderten Hintergrund die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit der eingangs genannten Art anzugeben, welche einen möglichst kleinen radialen Bauraum beansprucht und dabei bei unterschiedlichen Größen des Volumenstroms über die Prallfläche eine möglichst gleichmäßige Ölabscheidung gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Öffnungsfläche axial verlaufend an dem Strömungskanal angeordnet ist, dass die Öffnungsfläche von einem relativ zu ihr beweglichen Abdeckmittel zumindest teilweise überdeckt ausgebildet ist und dass das Abdeckmittel an zwei voneinander axial beabstandeten Orten unterschiedlich stark beweglich ausgebildet ist, um einen Teilvolumenstrom des an einem axialen Ort aus dem Strömungskanal durch die Öffnungsfläche strömenden, umgelenkten Gas-Flüssigkeitsgemisches größenmäßig anders zu beeinflussen als denjenigen an einem anderen axialen Ort.
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Im Gegensatz zu den bekannten Lösungen ist die Öffnungsfläche gemäß der Erfindung axial verlaufend an dem Strömungskanal angeordnet. Das heißt, der Volumenstrom ist nicht unmittelbar auf die Öffnungsfläche gerichtet, sondern verläuft in etwa parallel zu ihr. Hierdurch ergibt sich bereits eine geringere radiale Ausdehnung der Erfindung, da für die Umlenkung nun die gesamte oder ein großer Teil der axialen Länge der Vorrichtung verwendbar ist, wobei die axiale Länger einfacher zu vergrößern ist als die radiale Ausdehnung der Vorrichtung. Um nun einen besonders homogenes Strömungsfeld über die axiale Länge der Vorrichtung anzugeben und damit eine besonders hohe Abscheideleistung zu erreichen, ist erfindungsgemäß die Öffnungsfläche von einem relativ zu ihr beweglichen Abdeckmittel zumindest teilweise überdeckt. Dies bedeutet, dass das Abdeckmittel die Öffnungsfläche von flächenmäßig vollständig bis hin zu flächenmäßig nur gering abdeckend ist. Gleichzeitig bedeutet dies auch, dass das Abdeckmittel von anliegend an der Öffnungsfläche bis hin zu beabstandet von ihr ausgebildet sein kann. Eine flächenmäßig unvollständige und/oder beabstandete Ausführungsform des Abdeckmittels führt zu einem gewissen Grundvolumenstrom, der auch bei geringer Beaufschlagung der Vorrichtung mit Volumenstrom umgelenkt durch die Öffnungsfläche treten kann. Erfindungsgemäß sind auch mehrere Öffnungsflächen/Abdeckmittel-Kombinationen pro Vorrichtung. Das eine oder die mehreren Abdeckmittel ist den aus dem Strömungskanal durch die Öffnungsfläche an einem gegebenen axialen Ort strömenden Teil des Volumenstroms größenmäßig beeinflussend ausgebildet und zwar dadurch, dass es an zwei axial beabstandeten Orten unterschiedlich stark beweglich ist und so die an diesen jeweiligen Orten befindliche Öffnungsfläche im Betriebszustand der Vorrichtung unterschiedlich stark freigebend ist. Beispielsweise wird das Abdeckmittel in Bereichen mit hohem Druck, wie sie in axialen Orten des Strömungskanals entfernt vom Volumenstrom-Einlass auftreten, einen geringeren Düsenspalt zwischen Abdeckmittel und Öffnungsfläche öffnen als an axialen Orten des Strömungskanals mit geringerem Druck, wie er axial näher am Volumenstrom-Einlass des Strömungskanals auftritt. Dort ist der geöffnete Düsenspalt größer. Auf diese Weise kann mit Vorteil zum Einen bei verhältnismäßig kleiner axialer Ausdehnung der Vorrichtung ein, sich in Strömungsrichtung erstreckendes, Abscheideelement genutzt werden, welche zudem an verschiedenen axialen Orten im Wesentlichen mit jeweils dem gleichen Teilvolumenstrom belegt wird. Durch diese erfinderische Maßnahme wird ein axial sehr homogener Volumenstrom an die Prallfläche und somit eine axial sehr homogene Abscheideleistung erreicht. Hierbei weist das Abscheideelement beispielsweise eine Prallfläche und/oder ein Vlies auf, auch in Kombination miteinander. Mit großem Vorteil wird so insgesamt eine besonders effiziente Abscheidung unter optimaler Ausnutzung der gesamten axialen Länge der Vorrichtung erreicht.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Strömungskanal eine in axialer Richtung abnehmende Querschnittsfläche aufweist, insbesondere kegelförmig ausgebildet ist. Aufgrund der erfindungsgemäßen Geometrie des Strömungskanals mit in Strömungsrichtung variierender, insbesondere abnehmender, Querschnittsfläche steht für den gereinigten Volumenstrom an jedem gegebenen axialen Ort der Vorrichtung außerhalb des Strömungskanals eine ausreichende Strömungsweite zur Verfügung. Die an den einzelnen axialen Orten austretenden Teilvolumenströme addieren sich, so dass stromabwärts mehr Strömungsweite benötigt wird als stromaufwärts. Diesem Bedarf trägt die Erfindung durch die im Gegenzug zu dem zunehmenden Platzbedarf abnehmende Querschnittsfläche des Strömungskanals Rechnung, bei in etwa gleichbleibendem Verlauf des die erfindungsgemäße Vorrichtung einfassenden Gehäuses. Mit Vorteil wird so auch ein Staudruck des gereinigten Gemisches vermieden, der die Abscheideleistung negativ beeinträchtigen würde. Erfindungsgemäß könnte der Strömungskanal nicht nur kegelförmig ausgebildet sein, sondern auch pyramindenmantelartig oder neben konischen axialen Abschnitten auch zylindrische aufweisen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Öffnungsfläche von der Öffnungsfläche einer einzigen Öffnung gebildet wird oder von der Summe der jeweiligen Teilöffnungsflächen mehrerer, axial aufeinander folgender Teilöffnungen. Die erfindungsgemäße Maßnahme, über einen axialen Verlauf des Strömungskanals gleichmäßige Abscheideleistung mithilfe axial verlaufender Öffnungsflächen und einem axial unterschiedlich beweglichen Abdeckmittel zu erreichen, wird erfindungsgemäß durch mehrere, zueinander axial beabstandete Teilöffnungen mit jeweils einer Teilöffnungsfläche genauso gelöst wie durch eine einzige große Öffnung mit einer einzigen Öffnungsfläche, die jeweils vom Abdeckungsmittel axial überdeckt ausgebildet sind. Es ist ebenfalls erfindungsgemäß, wenn mehrere axiale Abschnitte mit jeweils mehreren Teilöffnungen mit Teilöffnungsflächen und jeweils einem zugeordneten Abdeckmittel radial um den Umfang des Strömungskanals verteilt angeordnet sind, insbesondere in Form von Öffnungspaaren, Öffnungstripeln oder mehr. Dies kann radial gleichmäßig erfolgen, also beispielsweise in einem äquidistanten Winkelabstand der axialen Abschnitte zueinander von 180°, 120° aber auch 90°, 72°, 60° oder einem noch geringeren radialen Abstand oder radial ungleichmäßig. Hierbei ist aber stets jeder einzelne axiale Abschnitt des Strömungskanals mit seinen Teilöffnungsflächen und Teilöffnungen von einem Abdeckmittel überdeckt ausgebildet. Es können daher pro axialer Strecke des Strömungskanals auch mehrere Abdeckmittel umfänglich verteilt vorgesehen sein.
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Der erfindungsgemäß gewünschte Effekt der Vorrichtung kann dadurch noch besser erreicht werden, dass ein Querschnitt der Öffnungsfläche an einem ersten axialen Ort kleiner als ein Querschnitt der Öffnungsfläche an einem zweiten, zum Volumenstrom-Einlass entfernter liegenden, axialen Ort ausgebildet ist. Dies trägt den Druckverhältnissen im Strömungsrohr noch besser Rechnung, indem die axialen Bereich mit hohem Druck und schon schwerer beweglichem Abdeckmittel zusätzlich auch noch geringere Öffnungsflächenquerschnitte aufweisen und somit einen genauer bestimmten, geringeren, Teilvolumenstrom umlenken, falls eine derartige Ausgestaltung betriebsbedingt erforderlich ist. Anderenfalls kann der axiale Querschnitt der erfindungsgemäßen Öffnungsfläche über die axiale Länge des Strömungskanals auch gleichbleibend oder auch zunehmend ausgestaltet sein.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine axial dichter an dem Volumenstrom-Einlass befindliche Teilöffnung eine größere Teilöffnungsfläche aufweist als eine axial entferntere Teilöffnung und nicht nur einen größeren Querschnitt. Gleiches gilt für den erfindungsgemäßen Fall einer einzigen Öffnungsfläche.
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Dadurch, dass eine axiale Ausdehnung einer Teilöffnungsfläche größer als eine radiale Ausdehnung der Teilöffnungsfläche ausgebildet ist, wird mit Vorteil eine optimale Anpassung der Öffnungsflächengeometrie an die jeweils durch Betriebsbedingungen eines Motors und Geometrie der gesamten Abscheidevorrichtung vorgegebene Situation ermöglicht, insbesondere auch durch kreisförmige, ovale oder anderweitig symmetrische oder auch unsymmetrische Öffnungsgeometrien. Erreicht wird so auch ein ausreichend großes Abscheideelement ohne Vergrößerung der radialen Ausdehnung der Vorrichtung. Beispielsweise kann die Öffnung als Langloch oder als in Längsrichtung in den Strömungskanal eingebrachter Schlitz ausgestaltet sein.
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In Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Abdeckmittel den Teilvolumenstrom in Abhängigkeit von der Größe des Volumenstroms beeinflussend ausgestaltet ist bzw. in Abhängigkeit von dem an dem gegebenen axialen Ort des Strömungskanals herrschenden Druck beeinflussend ausgestaltet ist oder in Abhängigkeit von einer Rotationsgeschwindigkeit des Strömungskanals um dessen Längsachse beeinflussend ausgestaltet ist. Insbesondere kann im Rahmen der Erfindung das Abdeckmittel bei einem größeren Volumenstrom eines Gas-Flüssigkeitsgemisches die Öffnung(en) im Strömungskanal weniger abdecken bzw. in einem größeren Abstand zu der Öffnung / den Öffnungen angeordnet werden, als bei einem verhältnismäßig kleineren Volumenstrom. Auch ist das Abdeckmittel den Teilvolumenstrom in Abhängigkeit von dem an dem gegebenen axialen Ort herrschenden Druck beeinflussend ausgestaltet. Dies kann im Rahmen der Erfindung beispielsweise erzielt werden, indem das Abdeckmittel an axialen Orten des Strömungskanals die Öffnungsfläche je nach dem dort herrschenden Druck mehr oder weniger abdeckend ist. Schließlich ist noch das Abdeckmittel den Teilvolumenstrom in Abhängigkeit von einer Rotationsgeschwindigkeit des Strömungskanals um dessen Längsachse beeinflussend ausgestaltet. Hierdurch kann die Vorrichtung in eine Nockenwelle integriert werden und drehzahlabhängig das oder die Abdeckmittel so steuern, dass sie, beispielsweise unter Ausnutzung von Fliehkräften, jeweils einen größeren Teilvolumenstrom durch die jeweilige Öffnung freigeben, wenn sich die Drehzahl erhöht.
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Im Rahmen der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn das Abdeckmittel ein elastisches Element aufweist, insbesondere ein plattenartiges elastisches Element, ganz bevorzugt ein Lamellenventil. Dies ermöglicht eine selbstregelnde Ausgestaltung und Steuerung des Abdeckmittels, indem aufgrund der mit einer Erhöhung des Volumenstroms einhergehenden Erhöhung des Drucks eine Auslenkung des elastischen Elements erfolgt. Als elastisches Element kommt insbesondere ein insgesamt elastisches Abdeckmittel oder ein mit einer Rückstellfeder versehenes Scharniergelenk in Betracht. Umfasst das Abdeckmittel ein plattenartiges Element, insbesondere ein Lamellenventil, ist es konstruktiv besonders einfach und robust ausgebildet.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das plattenartige elastische Element um eine Drehachse quer zur Strömungsrichtung des Volumenstroms in dem Strömungskanal relativ zu der überdeckten Öffnungsfläche drehbar gelagert, wobei das plattenartige elastische Element vorzugsweise an einem stromabwärtsseitigen – oder axial entferntesten – Ende fixiert ist und/oder das plattenartige elastische Element um eine Drehachse parallel zur Strömungsrichtung auslenkbar angeordnet ist. Bei der zuerst genannten Fixierung wird mit Vorteil erfindungsgemäß erreicht, dass aufgrund der Hebelgesetze in stromabwärtsseitigen – axial entfernteren – Bereichen des Strömungskanals ein erhöhter Druck bei geeigneter Auslegung zu einer geringeren Hebelwirkung und somit zu einem geringeren Drehmoment führt. Auf der anderen Seite greift in Bereichen weiter stromaufwärts im Strömungskanal, an denen ein niedrigerer Druck herrscht, am Fixierungspunkt ein entsprechend größeres Drehmoment an. Dies wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um mit dem erfindungsgemäßen Abdeckmittel die unterschiedlichen Druckverhältnisse an unterschiedlichen axialen Positionen im Strömungskanal derart zu kompensieren, dass jeweils vergleichbare Teilvolumenströme aus der Öffnung im Strömungskanal austreten. Andererseits kann in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung das plattenartige Element um eine Drehachse parallel zur Strömungsrichtung drehbar gelagert sein. Beispielsweise kann das plattenartige elastische Element so eingespannt sein, dass es um eine parallel zur Strömungsrichtung orientierte Drehachse auslenkbar ist. Wenn gemäß dieser Ausgestaltungsform ein die Öffnungsfläche überdeckender Abschnitt des plattenartigen elastischen Elements je nach den Druckverhältnissen an unterschiedlichen axialen Orten des Strömungskanals einen unterschiedlichen Abstand zum Lagerungspunkt aufweist, können unter Berücksichtigung der Hebelgesetze mit Vorteil durch das Abdeckmittel in Abhängigkeit von dem an dem gegebenen axialen Ort herrschenden Druck unterschiedliche Teilvolumenströme freigegeben werden.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung besteht das plattenartige elastische Element im Wesentlichen aus einem elastisch verformbaren Material, wobei es um eine Drehachse quer zur Strömungsrichtung und/oder um eine Drehachse parallel zur Strömungsrichtung auslenkbar angeordnet ist. Als Materialien kommen beispielsweise Federplättchen aus Metall oder Kunststoff infrage.
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Günstig ist es in diesem Zusammenhang, wenn sich die Steifigkeit des elastisch verformbaren Materials in dem Temperaturbereich, indem der Abscheider arbeitet, möglichst nicht oder nur unwesentlich ändert. Dies ist insbesondere für Metall der Fall.
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Bei Verwendung eines elastisch verformbaren Materials für das plattenartige elastische Element genügt dessen Fixierung am Strömungskanal ohne ein Gelenk mit Rückstellfeder, um als auslenkbares Abdeckmittel zu fungieren. Das plattenartige elastische Element, insbesondere als Federplättchen ausgestaltet, wird durch den an dem gegebenen axialen Ort herrschenden Druck radial nach außen gebogen, um über der jeweiligen (Teil)Öffnungsfläche im Strömungskanal einen bestimmten Düsenspalt freizugeben.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das plattenartige elastische Element eine in Abhängigkeit vom Abstand zu einem Fixierungspunkt variierende Elastizität aufweist. Dies kann zum einen im Ergebnis dadurch erreicht werden, dass der Abstand des die Öffnungsfläche abdeckenden Bereichs zum Fixierungspunkt des plattenartigen elastischen Elements an unterschiedlichen axialen Orten unterschiedlich gewählt ist, um unterschiedliche Hebelarme zu nutzen. Zum anderen kann das plattenartige elastische Element beispielsweise ein mit dem Abstand zum Fixierungspunkt variables Profil aufweisen, um eine unterschiedliche Steifigkeit aufzuweisen, beispielsweise Sicken, Verstärkungsstege oder dergleichen mehr.
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Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.
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Die Figuren zeigen im Einzelnen:
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1: perspektivische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Abscheidevorrichtung in einer ersten Ausführungsform;
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2: vertikaler Axialschnitt zur Strömungsrichtung durch die Abscheidevorrichtung gemäß 1 durch die Linie II-II der 1;
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3: Prinzipskizze zur Veranschaulichung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Abscheidevorrichtung gemäß den 1 bis 2;
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4. Variation der ersten Ausführungsform der Erfindung;
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5. Perspektivische Ansicht eines Teilschnitts durch eine erfindungsgemäße Abscheidevorrichtung in einer weiteren Ausführungsform;
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6: Prinzipskizze zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Abscheidevorrichtung gemäß 5.
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1 zeigt in perspektivischer und teilweise geschnittener Ansicht eine erste Ausgestaltungsform einer Abscheidevorrichtung 1 gemäß der Erfindung. Die Abscheidevorrichtung 1 weist einen Strömungskanal 5 auf, mit einer kreisrunden Querschnittsfläche, welche sich in Richtung stromabwärts, also nach rechts, also zu einem, vom Volumenstrom-Einlass 6 axial entfernteren Ort, in den 1 bis 3 konisch verjüngt. Der Volumenstrom 2 tritt mittels des Volumenstrom-Einlasses 6 in den Strömungskanal 5 ein. Dieser weist unterhalb des abgebildeten Abdeckmittels 11 eine Öffnungsfläche 7 auf, die sich axial über die gesamte Länge des Abdeckmittels 11 und dessen Breite erstreckt, abzüglich einer gewissen Randüberdeckung von hier 2 mm. Andere Abstände, größere und kleinere, sind ebenfalls erfindungsgemäß. Das Abdeckmittel 11 liegt auf der Wandung des durch die Öffnungsfläche 7 geöffneten Strömungskanals 5 auf, die damit gleichzeitig den Rand der Öffnungsfläche 7 bildet. Zusätzlich sind mehrere Teilöffnungen 14 vorgesehen, welche ebenfalls axial verlaufend sind. Mit anderen Worten sind sämtliche Öffnungsflächen in Bezug auf die Durchströmungsrichtung radial ausgerichtet und demnach den umgelenkten Volumenstrom 2 in Richtung auf das Abscheideelement 3 leitend, welches hier als mit einem Vlies 21 ausgekleidete Prallfläche 24 ausgebildet ist. Das Abscheideelement 3 umgibt den Strömungskanal 5 konzentrisch, es ist im Wesentlichen als zylindrische Innenmantelfläche ausgestaltet. Bei dieser Ausführungsform ist die Prallfläche 24 vollständig mit Vlies 21 ausgekleidet. Erfindungsgemäß wäre jedoch auch das vollständige oder teilweise Weglassen des Vlieses 21, letzteres beispielsweise insbesondere in Bereichen der Prallfläche 24, auf die die umgelenkten Teilvolumenströme nicht unmittelbar gerichtet sind. Auch sind gleichförmig oder ungleichförmig alternierende Bereiche von Prallfläche 24 und mit Vlies 21 ausgekleideter Prallfläche 24 erfindungsgemäß. Die Teilöffnungen 14 bilden mit ihren Teilöffnungsflächen 13 zusätzliche erfindungsgemäße Öffnungsflächen 7 der Vorrichtung. Sie könnten erfindungsgemäß auch weggelassen werden, da sie bei dieser Ausführungsform lediglich dafür sorgen, dass selbst bei allergeringster Belastung der Vorrichtung mit Volumenstrom dessen Umlenkung und Reinigung gewährleistet sind, falls dieser nicht ausreichend ist, um das Abdeckmittel 11 ausreichend abzuheben. Die beiden sichtbaren Teilöffnungen 14 befinden sich an einem ersten und einem zweiten axialen Ort 9, 10 und liegen in einem axialen Abschnitt des Strömungskanals 5. Sie werden von dem Abdeckmittel 11 praktisch kaum überdeckt, das als elastisches Element 17, genauer als ein Lamellenventil 18 ausgebildet ist und vor allem die darunter befindliche Öffnungsfläche 7 abdeckt. Das Lamellenventil 18 ist mittels eines Befestigungsmittels 22 am Strömungskanal 5 befestigt und damit um eine Achse quer zur Strömungsrichtung beweglich. Das Befestigungsmittel 22 könnte eine Schraube sein oder eine Klipsverbindung, die das Abdeckmittel halternd durchsetzt. Das gereinigte Gasgemisch verlässt die Vorrichtung 1 über einen nicht bezeichneten Auslass 23 (siehe 2).
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2 zeigt einen vertikalen Axialschnitt zur Strömungsrichtung durch die Abscheidevorrichtung 1 gemäß der Linie II-II der 1. Der von links in den konisch zulaufenden, und damit eine in axialer Richtung abnehmende Querschnittsfläche 20 aufweisenden, Strömungskanal 5 eintretende Volumenstrom 2 wird vor allem jeweils durch die hier nicht erkennbare Öffnungsfläche 7 unterhalb des jeweiligen Abdeckmittels 11 umgelenkt, tritt jedoch auch durch die Teilöffnungen 14 in Richtung auf die Prallfläche 24 umgelenkt aus und verlässt die Vorrichtung 1 gereinigt am Auslass 23. Gut zu erkennen ist die aufgrund des axial konischen Verlaufs des Strömungskanals 5 größer werdende Weite zwischen Prallfläche 24 und Strömungskanal 5, so dass die stromabwärts aufaddierten Teilvolumenströme ohne größeren Staudruck durch den Auslass 23 gelangen. Je zwei Teilöffnungen 14 sind bei dieser Ausführungsform radial symmetrisch um den Strömungskanal 5 angeordnet und bilden daher an dem jeweiligen axialen Ort ein Teilöffnungspaar gleichgearteter Teilöffnungen. Diese Ausführungsform weist also zwei Abdeckmittel 11 mit von diesen jeweils überdeckter und in dieser Ansicht nicht einfach zu erkennender, axial verlaufender Öffnungsfläche 7, angedeutet in 2, auf. Sie weist zusätzlich zwei Paare von Teilöffnungsflächen 13 auf, die kaum bis gar nicht überdeckt sind und die daher nicht in erster Linie zu der erfindungsgemäßen Kombination von axial verlaufender Öffnungsfläche 7 und überdeckendem Abdeckmittel 11 zählen. Zu erkennen ist, dass der Querschnitt 8 der Teilöffnungen 14 mit deren axialen Ort variiert, nämlich bei zunehmender axialer Entfernung vom Volumenstrom-Einlass 6 kleiner wird. Hierdurch wird auch die entsprechende Teilöffnungsfläche 13 kleiner. Das jeweilige Abdeckmittel 11 ist gebildet durch ein elastisches Element 17 aus einem elastisch verformbaren Material wie zum Beispiel Metall oder Kunststoff. Es ist jeweils am stromabwärtsseitigen Ende des Strömungskanals 5 mittels eines Befestigungsmittels 22 fixiert, das hier als Klipselement ausgebildet ist, welches das jeweilige Abdeckmittel 11 durchsetzt. Zwischen jedem elastischen Element 17 und dem Strömungskanal 5 entsteht auf diese Weise bei der Öffnungsfläche 7 ein Düsenspalt. Aufgrund der Fixierung des elastischen Elements 17 mittels des Befestigungselements 22 am Strömungskanal 5 an dessen stromabwärtigen Ende ist jedes elastische Element 17 bzw. Lamellenventil 18, um eine Achse quer zur Strömungsrichtung biegsam, um den Düsenspalt zu variieren.
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3 zeigt die Wirkungsweise der Abscheidevorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform. Darin zeigen die beiden Bilder in der linken Spalte die Abscheidevorrichtung 1 in einem Zustand mit einem geringeren Volumenstrom 2 und die beiden Darstellungen in der rechten Spalte die Abscheidevorrichtung 1 in einem Zustand mit relativ höherem Volumenstrom 2. Der Volumenstrom 2 ist hier durch Pfeile angedeutet, die jeweils beispielhaft einen der vielen Teilvolumenströme 12 symbolisieren. Die Darstellungen in der oberen Zeile entsprechen hinsichtlich der Perspektive der 2, wohingegen die Darstellungen in der unteren Zeile eine dazu um die Längsachse rotierte Darstellung der Abscheidevorrichtung 1 zeigen, bei denen die gestrichelt angedeutete Öffnungsfläche 7 unterhalb des abgebildeten Abdeckmittels 11 angeordnet ist (wie in 1). Der Übersichtlichkeit halber wurden nur einige Bezugszeichen eingetragen. In dem in der linken Spalte gezeigten Zustand der Abscheidevorrichtung 1 bei einer Durchströmung mit geringerem Volumenstrom 2 ist zu erkennen, dass die als Lamellenventile 18 ausgebildeten Abdeckmittel 11 aufgrund des relativ geringen Drucks im Innern des Strömungskanals 5 vom Volumenstrom nicht abgehoben werden und daher die darunterliegende Öffnungsfläche 7 verschließend abdecken. Die Teilvolumenströme 12 treten durch die Teilöffnungen 13 aus. Der in der rechten Spalte dargestellte Betriebszustand bei deutlich größerem Volumenstrom 2 zeigt, dass jetzt die Teilvolumenströme 12 vor allem durch den Düsenspalt austreten, der über annähernd die gesamte axiale Länge des Strömungskanals 5 durch Abheben des Abdeckmittels 11 von der sich darunter erstreckenden Öffnungsfläche 7 erzeugt wurde. Zu erkennen ist auch, dass das jeweilige Abdeckmittel 11 an axial unterschiedlichen Orten unterschiedlich stark aus seiner Ruhelage ausgelenkt ist und somit die axial entfernteren Teile der Öffnungsfläche 7 stärker überdeckt als die axial näheren Teile. Der konische Verlauf des Strömungskanals 5 verstärkt den axialen Druckunterschied noch ein wenig, so dass bei dieser Ausführungsform axial näher größere Teilöffnungen angeordnet sind, die einen größeren Teilvolumenstrom 12 durchlassend sind. Hierdurch ergibt sich eine axial gleichmäßige Volumenstromverteilung auf das Abscheidemedium, bzw. das Abscheideelement, welches vorteilhaft wenigstens eine Prallfläche oder ein Vlies aufweist, und folglich eine verbesserte Abscheideleistung.
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Aufgrund der elastischen Verformbarkeit des Lamellenventils 18 stellt sich dessen Abstand zur Öffnungsfläche 7 selbstregelnd ein. Die Selbstregelung ergibt sich, weil die am Lamellenventil 18 angreifenden Kräfte einen längeren Hebelweg zum Befestigungsmittel 22 haben, als dies an einem axial entfernteren Ort der Fall ist.
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Die Abscheidevorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform kann um ihre Längsachse rotiert werden, beispielsweise wenn sie im Innern einer Nockenwelle angeordnet ist. In diesem Falle werden die Lamellenventile 18 zusätzlich aufgrund von Fliehkräften ausgelenkt, um bei höheren Drehzahlen den Abstand und damit den Düsenspalt zu vergrößern. Dieser Effekt überlagert sich mit einer Auslenkung aufgrund des im Strömungskanal herrschenden Drucks.
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4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Teilöffnungen mit starren Querschnitten nicht vorhanden sind. Ansonsten unterscheidet sich diese Ausführungsform nicht von der zuvor beschriebenen.
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5 zeigt eine zweite Ausführungsform 101 der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht in einem Teilschnitt. Die verdeckten Merkmale sind nicht mit Bezugszeichen versehen. Ein Volumenstrom 102 tritt in die Vorrichtung ein, wird umgelenkt und tritt beim Auslass 123 gereinigt wieder aus. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist hier die unter dem Abdeckmittel 111 liegende Öffnungsfläche durch eine einzige Öffnung des sich verengenden Strömungskanals gebildet, der nach oben, zum Abdeckmittel 111 hin, offen ausbildet ist und in seiner Höhe über seinen axialen Verlauf gleichbleibend ist. Wie abgebildet, können auch bei dieser Ausführungsform kleinere Teilöffnungen in der Wandung des Strömungskanals vorgesehen sein, um einen gewissen Grundvolumenstrom zu ermöglichen, auch ohne Auslenkung des Abdeckmittels 111. Dieses ist im Gegensatz zur ersten Ausführungsform hier um eine Achse beweglich, die parallel zum Volumenstrom 102 im Strömungskanal verläuft. Ebenso wie bei der ersten Ausführungsform ist jedoch das Lamellenventil 118 axial unterschiedlich beweglich. An einem gegebenen axialen Ort weist es einen bestimmten Abstand seines freien Endes 125 von dem diesbezüglichen Befestigungsmittel 122 auf. An einem anderen, axial entfernteren Ort ist dieser Abstand geringer, so dass dort auch geringere Hebellängen bestehen, und daher trotz des höheren Druckes im Strömungskanal keine weitere Abhebung des Abdeckmittels 111 von der Öffnung erfolgt. Auch hier ist den axial addierten Teilvolumenströmen 12 eine größere Weite in Richtung des Auslasses 123 eingeräumt.
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Die Details dieser Ausführungsform einschließlich deren Wirkungsweise sind in den Schnittdarstellungen gemäß 5 zu erkennen, welche einen Schnitt entlang der Linie III-III aus 4 durch die Abscheidevorrichtung 101 zeigen.
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Der Strömungskanal 105 der Abscheidevorrichtung 101 ist nach oben mit einer Öffnungsfläche 107 geöffnet, die mit einem Lamellenventil 118 aus einem elastisch verformbaren Material abgeschlossen ist. Das Lamellenventil 118 ist mit Befestigungsmittel 122 an einer in Strömungsrichtung verlaufenden Kante an dem Strömungskanal 105 fixiert und kann somit aufgrund deren Elastizität um eine quer zur Strömungsrichtung ausgerichtete Achse ausgelenkt werden. Der Strömungskanal 105 mit Abdeckmittel 111 ist von einem Abscheideelement 103 umgeben, die eine Prallfläche 126 aufweist, welche mit einem Vlies 121, ausgekleidet ist. Auch hier kann das Abscheideelement 103 wie zur ersten Ausführungsform als erfindungsgemäße Variationen beschrieben, ausgestaltet sein. Die beschriebene Anordnung aus Strömungskanal, der mit Vlies ausgekleideten Prallfläche und dem Abdeckmittel ist von einem hohlquaderförmigen Gehäuse 124 umgeben.
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Dargestellt sind zwei verschiedene Betriebszustände an demselben axialen Ort. Die obere Darstellung zeigt einen Zustand mit relativ geringem Volumenstrom und die untere Darstellung einen Zustand mit relativ höherem Volumenstrom.
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Wie in dem oberen Teil der 6 zu erkennen ist, führt ein geringerer Volumenstrom an einem gegeben axialen Ort nur zu einer sehr geringen Auslenkung des Lamellenventils 118 an diesem Ort. Dies ist darauf zurückzuführen, dass aufgrund des relativ geringen Drucks im Innern des Strömungskanals 105 auf das elastisch verformbare Lamellenventil 118 nur vergleichsweise geringe Kräfte zu seiner Auslenkung wirken. Die Höhe der Auslenkung und damit einhergehend die Größe des geöffneten Düsenspaltes zwischen Öffnungsfläche 107 und Lamellenventil 118 ist aufgrund der Hebelgesetze abhängig von dem Abstand zum Befestigungsmittel 122, welche den Fixierungs- und Drehpunkt definiert. Aufgrund dessen ist eine Auslenkung des freien Endes 125, oder anders gesagt der Außenkante, des Lamellenventils 118 axial näher am Volumenstrom-Einlass 106 größer als axial weiter entfernt, bei einem gegebenen Volumenstrom. Dies führt dazu, dass axial näher ein größerer Teilvolumenstrom aus dem Strömungskanal 105 austreten kann als in einem axial entfernteren Bereich. Im Ergebnis wird an weiter stromabwärtsseitigen Orten des Strömungskanals 105 trotz des dort herrschenden höheren Drucks im Wesentlichen der gleiche Teilvolumenstrom auf die mit Vlies 121 ausgekleidete Prallfläche 126 treffen wie weiter stromaufwärts.
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Der untere Teil der 6 zeigt die Abscheidevorrichtung 101 in einem Zustand der Durchströmung mit einem, im Vergleich zum oberen Teil der 5, größeren Volumenstrom. Dieses ist dadurch ersichtlich, dass die Auslenkung des freien Endes 125 des Lamellenventils 118 an diesem axialen Ort aufgrund des höheren Drucks größer ist. Wie schon erwähnt, variiert auch die Auslenkung des Abdeckmittels 111 entlang der axialen Ausdehnung des sich verengenden Strömungskanals 105 bei einem bestimmten Volumenstrom, da die Bereiche höheren Druckes auch Bereiche sind, in denen die Auslenkung aufgrund eines geringen Hebels geringer ist, so dass die freigegebene Öffnungsfläche axial gesehen abnimmt, so dass in etwa die Teilvolumenströme gleichbleiben, bzw. eine gleichmäßige Volumenstromverteilung erreicht wird. Hierdurch wird eine besonders homogene und effiziente Abscheidung des Öls erreicht.
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Mit Vorteil ist sowohl die Abscheidevorrichtung 1 gemäß den 1 bis 3 als auch die Abscheidevorrichtung 101 gemäß den 4 und 5 in jeder Hinsicht selbstregelnd. Denn aufgrund der elastischen Verformbarkeit des Lamellenventils 118 wird einerseits an einem gegebenen axialen Orts des Strömungskanals 5, 105 eine Anpassung der Auslenkung an Veränderungen des Volumenstroms 2, 102 erreicht, zum anderen passt sich die Auslenkung des Lamellenventils 118 auch an die über den axialen Verlauf des Strömungskanals 5, 105 variablen Druckverhältnisse an, um diese zu kompensieren und jeweils einen gleichmäßigen Teilvolumenstrom in Richtung auf das Abscheideelement 3, 103 zu erzeugen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abscheidevorrichtung, erste Ausführungsform
- 2
- Volumenstrom
- 3
- Abscheideelement
- 4
- Umlenkungsanordnung
- 5
- Strömungskanal
- 6
- Volumenstromeinlass
- 7
- Öffnungsfläche
- 8
- Querschnitt
- 9
- Erster axialer Ort
- 10
- Zweiter axialer Ort
- 11
- Abdeckmittel
- 12
- Teilvolumenstrom
- 13
- Teilöffnungsfläche
- 14
- Teilöffnungen
- 15
- Axiale Ausdehnung
- 16
- Radiale Ausdehnung
- 17
- Elastisches Element
- 18
- Lamellenventil
- 19
- Strömungsrichtung
- 20
- Querschnittsfläche Strömungskanal
- 21
- Vlies
- 22
- Befestigungsmittel
- 23
- Auslass
- 24
- Prallfläche
- 101
- Abscheidevorrichtung, weitere Ausführungsform
- 102
- Volumenstrom
- 103
- Abscheideelement
- 104
- Umlenkungsanordnung
- 105
- Strömungskanal
- 106
- Volumenstromeinlass
- 107
- Öffnungsfläche
- 108
- Querschnitt
- 109
- Erster axialer Ort
- 110
- Zweiter axialer Ort
- 111
- Abdeckmittel
- 112
- Teilvolumenstrom
- 113
- Teilöffnungsfläche
- 114
- Teilöffnungen
- 115
- Axiale Ausdehnung
- 116
- Radiale Ausdehnung
- 117
- Elastisches Element
- 118
- Lamellenventil
- 119
- Strömungsrichtung
- 120
- Querschnittsfläche Strömungskanal
- 121
- Vlies
- 122
- Befestigungsmittel
- 123
- Auslass
- 124
- Gehäuse
- 125
- Freies Ende
- 126
- Prallfläche
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10320215 B4 [0004]
- EP 2087213 B1 [0004]
