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Die Erfindung betrifft einen Zentrifugalabscheider, mit dessen Hilfe innerhalb eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs Ölanteile aus einem aus einem Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors kommenden Öl/Luft-Gemischs abgetrennt werden können.
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Aus
DE 10 2005 001 863 A1 ist ein im unteren Bereich eines V-Verbrennungsmotors angeordneter Zentrifugalabscheider für ein aus einem Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors kommenden Öl/Luft-Gemischs bekannt, bei dem das Öl/Luft-Gemisch in eine von einer Welle einer Wasserpumpe angetriebene konische Trommel eingeleitet wird, so dass Ölanteile des Öl/Luft-Gemischs über Öffnungen in der Trommel radial austreten und abgeführt werden können, während der Luftanteil des Öl/Luft-Gemischs in axialer Richtung aus der Trommel austreten kann.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis das Abtrennen von Ölanteilen aus Blowby-Gasen eines Verbrennungsmotors zu verbessern.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die ein gutes Abtrennen von Ölanteilen aus Blowby-Gasen eines Verbrennungsmotors ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Zentrifugalabscheider mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist ein Zentrifugalabscheider zur Abtrennung von Ölanteilen aus einem aus einem Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors stammenden Öl/Luft-Gemisch vorgesehen mit einem feststehenden Gehäuse, einem in dem Gehäuse rotierbar aufgenommenen hohlen Rotor, wobei der Rotor eine Trommel zur Aufprägung einer Drallströmung auf das Öl/Luft-Gemisch und eine von der Trommel nach radial außen abstehende Schleuderscheibe aufweist, wobei die Trommel eine Eingangsöffnung zur axialen Zufuhr des Öl/Luft-Gemischs, eine Ausgangsöffnung zur axialen Abfuhr eines gereinigten Öl/Luft-Gemischs und Abtrennöffnungen zur radialen Abfuhr von Ölanteilen des Öl/Luft-Gemischs an eine Innenwand des Gehäuses aufweist, wobei die Innenwand des Gehäuses zur fliehkraftbedingten Abfuhr der die Abtrennöffnungen verlassenden Ölanteile konisch ausgebildet ist.
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Das Öl/Luft-Gemisch, bei dem es sich insbesondere um Blowby-Gase aus dem Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors handeln kann, kann in axialer Richtung über eine koaxial zur Drehachse des Rotors vorgesehene Zentralöffnung der Schleuderscheibe in die Eingangsöffnung der Trommel eintreten. Die Drehachse der Trommel ist insbesondere im Wesentlichen horizontal ausgerichtet. Die Trommel weist insbesondere einen konisch ausgeführten rohrförmigen Mantel auf, an dem das Öl/Luft-Gemisch vorzugsweise von der größeren Axialseite zur kleineren Axialseite der Trommel entlang strömen kann. Die Trommel kann beispielsweise nach radial innen abstehende Ansätze aufweisen, die in der Art von Schaufeln dem eintretenden Öl/Luft-Gemisch einen Drall aufprägen und in Rotation versetzen können. Das Öl/Luft-Gemisch kann dadurch entlang der Drehachse des Rotors verwirbelt werden, so dass bei der sich ergebenen Drallströmung signifikante Fliehkräfte auf das Öl/Luft-Gemisch wirken. Die schwereren Ölanteile des Öl/Luft-Gemischs werden dadurch nach radial außen gedrückt und können die Trommel über die Abtrennöffnungen verlassen, während das um die abgetrennten Ölanteile abgereicherte Öl/Luft-Gemisch die Trommel an der von der Eingangsöffnung wegweisenden Axialseite über die Ausgangsöffnung gereinigt verlassen kann. Dadurch ergibt sich zumindest eine grobe Vorabscheidung von Öl, so dass das die Ausgangsöffnung verlassende Öl/Luft-Gemisch zumindest mit einer geringeren Menge an Öl beladen ist. Eine nachfolgend vorgesehene Ölabscheidung kann dadurch mit einem geringeren Aufwand erfolgen, beispielsweise indem für die endgültige Ölabscheidung eine passive Ölabscheidung mit Hilfe eines Filters, Impaktors, Vlies oder Ähnliches vorgesehen wird. Zusätzlich oder alternativ kann die endgültige Ölabscheidung auch mit Hilfe eines weiteren Zentrifugalabscheider, Tellerseparator oder Äähnliches erfolgen.
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Die den Rotor verlassenden Ölanteile des Öl/Luft-Gemischs können durch den aufgeprägten Drall und die angreifenden Fliehkräfte an die Innenwand des Gehäuses geschleudert werden. Da die Innenwand konisch verläuft, das heißt gegenüber der, insbesondere in einer Horizontalebene liegenden, Drehachse des Rotors angeschrägt ausgerichtet ist, können die Ölanteile an der Innenwand des Gehäuses entlang mit einem Bewegungsanteil in axialer Richtung entlangfließen. Insbesondere sind der Drall und die Bewegungsenergie der abgetrennten Ölanteile hierbei groß genug, um Reibungskräfte an der Innenwand des Gehäuses zu überwinden. Dadurch können die Ölanteile an der Innenwand des Gehäuses in axialer Richtung nach radial außen fließen und außerhalb der Trommel zu der Trommel axial versetzt zurückfließen, insbesondere zurück in das Kurbelgehäuse fließen. Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen und geringen Fliehkräften können die abgetrennten Ölanteile in Schwerkraftrichtung an der Innenwand des Gehäuses nach unten abfließen und am unteren Rand der konischen Innenwand des Gehäuses schwerkraftbedingt zurückfließen. Ein zusätzliches Fördermittel, beispielsweise eine Ölpumpe, um die abgetrennten Ölanteile zurückzufördern, ist nicht erforderlich und kann eingespart werden. Durch die konische Innenwand des Gehäuses können die aus dem Rotor abgetrennten Ölanteile ohne zusätzliche Fördermittel automatisch zurückgeführt werden, so dass ein gutes Abtrennen von Ölanteilen aus Blowby-Gasen eines Verbrennungsmotors einfach und kostengünstig ermöglicht ist.
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Das Gehäuse kann den Rotor ganz oder teilweise aufnehmen. Insbesondere ist eine Außenseite der Trommel des Rotors entsprechend zur konischen Innenwand des Gehäuses ausgeformt, so dass sich zwischen der Innenwand des Gehäuses und der Außenseite der Trommel ein Ringspalt mit einer in axialer Richtung im Wesentlichen konstanten Ringspaltbreite ergibt. Die Ringspaltbreite ist insbesondere für den zu erwartenden maximalen Volumenstrom der abtrennbaren Ölanteile ausgelegt, so dass eine Rückstömung der abgetrennten Ölanteile zurück durch die Abtrennöffnungen vermieden werden kann. Das Gehäuse kann ein separates Bauteil sein, das in dem Verbrennungsmotor verbaut werden kann. Alternativ kann das Gehäuse einstückig mit dem Kurbelgehäuse oder mit einer mit dem Kurbelgehäuse verbundenen Ölwanne ausgebildet sein. Die Schleuderscheibe kann zusammen mit dem Gehäusen ebenfalls einen Ringspalt begrenzen, über den der abgetrennte Ölanteil zurückgeführt werden kann. Gegebenenfalls kann die Schleuderscheibe, beispielsweise über einen Anschlag die Einstecktiefe des Rotors in das Gehäuse begrenzen, damit zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein ausreichen großer Zwischenraum zur Aufnahme des abgetrennten Ölanteils verbleibt. An der von dem Gehäuse weg weisenden Axialseite kann die Schleuderscheibe einen Zufuhrkanal begrenzen, über den das Öl/Luft-Gemisch der Eingangsöffnung der Trommel zugeführt werden kann. Die Eingangsöffnung der Trommel kann in eine Zentralöffnung der Schleuderscheibe übergehen beziehungsweise mit der Zentralöffnung zusammenfallen.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass ein zwischen dem Rotor und der Innenwand des Gehäuses ausgebildeter Ringspalt in einem mit der Trommel gemeinsamen Axialbereich geringer gegenüber einer Drehachse des Rotors angeschrägt verläuft als in einem mit der Schleuderscheibe gemeinsamen Axialbereich. Die Schleuderscheibe kann dadurch den zwischen dem Gehäuse und der Trommel ausgebildeten Ringspalt leicht axial abdecken, so dass der abgetrennte Ölanteil nicht an eine mit dem Rotor verbundene Antriebswelle gelangen kann. Eine Leckage des abgetrennten Ölanteils kann dadurch vermieden werden. Stattdessen kann der abgetrennte Ölanteil in radialer Richtung an der Schleuderscheibe entlang zurückgeführt werden. Wenn die abgetrennten Ölanteile an der Schleuderscheibe angekommen sind, sind die abgetrennten Ölanteile soweit in axialer Richtung zu den Abtrennöffnungen versetzt, dass ein Rückfluss über die Abtrennöffnungen zurück in das Innere der Trommel nicht mehr zu befürchten ist.
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Vorzugsweise weist die Schleuderscheibe an einer zum Gehäuse weisenden Axialseite, insbesondere spiralförmige, Rippen zur Aufprägung von Fliehkräften auf die Ölanteile auf. Die Schleuderscheibe kann dadurch den an der Schleuderscheibe ankommenden Ölanteile einen zusätzlichen Impuls in radialer Richtung aufprägen, wodurch eine ausreichende Bewegungsenergie auf die Ölanteile aufgeprägt werden kann, um die Ölanteile ohne zusätzliche Fördermittel zurückzuführen.
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Besonders bevorzugt weist der Rotor einen über Halterippen mit der Trommel, insbesondere einstückig, befestigten Befestigungsschaft zur Befestigung mit einer Antriebswelle auf. Aufgrund der auf das Öl/Luft-Gemisch wirkenden Fliehkräfte kann der Befestigungsschaft zentrisch zur Drehachse des Rotors vorgesehen sein, ohne die Drallströmung in der Trommel zu beeinträchtigen. Der Befestigungsschaft kann mit der Antriebswelle befestigt sein oder zumindest einen Teil der Antriebswelle ausbilden. Die Antriebswelle kann beispielsweise von einem elektrischen Motor in Rotation versetzt werden, wobei die Rotation über die Halterippen auf die Trommel und die Schleuderscheibe übertragen werden kann. Zwischen den Halterippen kann ein hinreichend großer Freiraum verbleiben, um das gereinigte und/oder abgereicherte Öl/Luft-Gemisch ohne unnötigen Strömungswiderstand ausleiten zu können.
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Insbesondere weist der Befestigungsschaft eine koaxial zu einander gegenüberliegenden Abtrennöffnungen der Trommel angeordnete radial verlaufende Durchgangsöffnung auf. Bei der Herstellung der Abtrennöffnungen ist es dadurch möglich mit einem einzigen Bohrvorgang beide einander gegenüberliegende Abtrennöffnungen zu erzeugen und hierbei den Befestigungsschaft einfach in radialer Richtung unter Erzeugung der Durchgangsöffnung zu durchbohren. Hierbei weist der Befestigungsschaft einen Durchmesser auf, der größer als der Bohrungsdurchmesser der Abtrennöffnungen ist. Das im Bereich der Durchgangsöffnung verbleibende Material des Befestigungsschafts kann für eine stabile Anbindung an der Antriebswelle und zur Drehmomentübertragung ausreichend sein. Die Abtrennöffnungen können dadurch mit einer geringen Anzahl an Fertigungsschritten erzeugt werden, wodurch die Herstellungszeit und die Herstellungskosten gesenkt werden können.
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Vorzugsweise weist der Befestigungsschaft eine axial verlaufende Zentralöffnung zur Aufnahme eines Befestigungsmittels, insbesondere einer Befestigungsschraube zum Verschrauben mit einem Innengewinde der Antriebswelle, auf. Das Befestigungsmittel kann über die Zentralöffnung bis zur Antriebswelle gelangen und mit der Antriebswelle verbunden werden. Der Befestigungsschaft und damit auch der Rotor kann zwischen dem Befestigungsmittel und der Antriebswelle sicher verklemmt sein, um das von der Antriebswelle eingeleitete Drehmoment an den Rotor übertragen zu können.
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Besonders bevorzugt ist eine axial zur Trommel versetzte Deckscheibe zur Ausbildung eines mit der Eingangsöffnung kommunizierenden ringspaltförmigen Zufuhrkanals zwischen der Deckscheibe und der Schleuderscheibe vorgesehen, wobei insbesondere die Deckscheibe drehfest mit der Antriebswelle gekoppelt ist. Zwischen der Deckscheibe und der insbesondere mit der selben Drehzahl mitdrehenden Schleuderscheibe kann der insbesondere nach radial außen geöffnete Zufuhrkanal ausgebildet sein, über den das Öl/Luft-Gemisch zu geführt werden kann. Eine Leckage des Öl/Luft-Gemischs kann durch die Deckscheibe vermieden werden.
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Insbesondere ist der Rotor über ein Übersetzungsgetriebe mit einer Wasserpumpenwelle einer Wasserpumpe gekoppelt, wobei das Übersetzungsgetriebe eine Drehzahl der Wasserpumpenwelle auf eine höhere Drehzahl des Rotors übersetzt. Mit Hilfe nur einen Motors kann sowohl die Wasserpumpe als auch der Rotor des Zentrifugalabscheiders angetrieben werden, so dass der apparative Aufwand gering gehalten werden kann. Unterschiede in der benötigten Drehzahl zwischen dem Rotor und der Wasserpumpe können durch das zwischengeschaltete Übersetzungsgetriebe realisiert werden. Das Übersetzungsgetriebe kann die Drehzahl der Wasserpumpenwelle ins Schnelle übersetzen, so dass der Rotor des Zentrifugalabscheiders eine Drallströmung ausreichend hohen Fliehkräften aufprägen kann.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Verbrennungsmotor zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, mit einem Kurbelgehäuse zur Aufnahme einer Kurbelwelle, einer mit einer Unterseite des Kurbelgehäuses verbundenen Ölwanne zur Aufnahme von Motoröl, einem mit einer Oberseite des Kurbelgehäuses verbundenen Zylinderkopf, einem mit einem zwischen dem Kurbelgehäuse und der Ölwanne ausgebildeten Triebwerkraum kommunizierenden Luftkanal zur Abfuhr von Blowby-Gasen, einem, insbesondere im Wesentlichen am höchsten Punkt des Luftkanals, in dem Luftkanal vorgesehenen Ölabscheider zum Abscheiden von Öl aus den Blowby-Gasen und einem unterhalb von Zylindern des Kurbelgehäuses und innerhalb des Luftkanals angeordneten Zentrifugalabscheider, der wie vorstehgend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, zur Vorabscheidung von Öl aus den Blowby-Gasen. Durch die konische Innenwand des Gehäuses des Zentrifugalabscheiders können bei einer Vorabscheidung im unteren Bereich des Verbrennungsmotors die aus dem Rotor abgetrennten Ölanteile ohne zusätzliche Fördermittel automatisch in den Triebwerkraum zurückgeführt werden, so dass ein gutes Abtrennen von Ölanteilen aus Blowby-Gasen des Verbrennungsmotors einfach und kostengünstig ermöglicht ist.
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Das Kurbelgehäuse ist ein aus, insbesondere V-förmig angeordneten, Zylindern zur Verbrennung eines Kraftstoff/Luft-Gemischs, einem Kühlmantel zum Kühlen der Zylinder und einem Triebwerksgehäuse zur Lagerung der Kurbelwelle zusammengesetzter Verbund. Der Luftkanal verläuft insbesondere auch in dem Zylinderkopf, so dass der Ölabscheider im Zylinderkopf positioniert sein kann. In dem Ölabscheiber abgetrennte Ölanteile können schwerkraftbedingt zurück in den Triebwerksraum fließen, so dass kein zusätzliches Fördermittel erforderlich ist. Der Luftkanal ist insbesondere mit einer Luftzuführleitung zur Zufuhr von Frischluft in die Zylinder des Verbrennungsmotors verbunden, so dass die von den Ölanteilen befreiten Luftanteile des ÖI/luft-Gemisches der Blowby-Gase für die Verbrennung von Kraftstoff in den Zylindern genutzt werden können. Dadurch kann eine geschlossene Kurbelgehäuseentlüftung ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Zentrifugalabscheider in horizontaler Richtung betrachtet zumindest einen Teil der Kurbelwelle und/oder zumindest einen Teil der Ölwanne überdeckt. Der Zentrifugalabscheider befindet sich dadurch in einem unteren Bereich des Verbrennungsmotors, in dem die abgetrennten Ölanteile, gegebenenfalls mit Hilfe der von der Schleuderscheibe zusätzlich aufgeprägten Fliehkräfte, ohne zusätzliche Fördermittel zurück in den Triebwerksraum geleitet werden können.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: eine schematische Schnittansicht eines Rotors für einen Zentrifugalabscheider,
- 2: eine schematische perspektivische Ansicht des Rotors aus 1,
- 3: eine schematische Schnittansicht eines Teils eines Verbrennungsmotors mit einem eingebauten Zentrifugalabscheider und
- 4: eine schematische perspektivische vereinfachte Gesamtansicht das Verbrennungsmotors aus 3.
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Der in 1 und 2 dargestellte Rotor 10 des Zentrifugalabscheiders 12 weist eine hohle leicht konische rohrförmige Trommel 14 auf, von deren weiteren Axialseite eine Schleuderscheibe 16 nach radial außen und in einem geringeren Ausmaß in axialer Richtung absteht. Im Übergang zwischen der Trommel 14 und der einstückig mit der Trommel 14 ausgebildeten Schleuderscheibe 16 ist eine Eingangsöffnung 18 zur axialen Zufuhr eines Öl/Luft-Gemisches 20 ausgebildet. Bei dem Öl/Luft-Gemisch 20 handelt es sich insbesondere um Blowby-Gase, die aus einem von einem Kurbelgehäuse 22 und einer Ölwanne 24 begrenzten Triebwerksraum eines Verbrennungsmotors 26 stammen. Die rotierende Trommel 14 kann dem Öl/Luft-Gemisch 20, insbesondere mit Hilfe von nach radial innen abstehenden Ansätzen 28, eine Drallströmung aufprägen, so dass Ölanteile 30 fliehkraftbedingt über Abtrennöffnungen 32 die Trommel 14 verlassen können. Die Ölanteile 30 können außerhalb der Trommel 14 an die Schleuderscheibe 16 gelangen, von der die Ölanteile 30 mit Hilfe spiralförmiger Rippen 34 nach radial außen weggeschleudert und zurück, insbesondere in den Triebwerksraum, gefördert werden können. An der von der Schleuderscheibe 16 weg weisenden Axialseite der Trommel 14 kann das zumindest teilweise gereinigte Öl/Luft-Gemisch 36 die Trommel 14 in axialer Richtung über Ausgangsöffnungen 38 verlassen.
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Koaxial zu einer Drehachse 40 des Rotors 10 ist ein zentraler Befestigungsschaft 42 vorgesehen, der über Halterippen 44 einstückig mit der Trommel 14 verbunden ist. Der Befestigungsschaft 42 weist eine Zentralöffnung 46 auf, durch die ein als Schraube ausgestaltetes Befestigungsmittel 48 geführt werden kann, um den Rotor 10 mit einer Antriebswelle 50 zu verbinden, wie in 3 dargestellt. Quer zur Zentralöffnung 46 sind mit einander gegenüberliegenden Abtrennöffnungen 32 fluchtende Durchgangsöffnungen 52 in dem Befestigungsschaft 42 ausgebildet, die bei der Erzeugung der einander gegenüberliegenden Abtrennöffnungen 32 durch einen gemeinsamen Bohrvorgang entstanden sind.
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Wie in 3 dargestellt, ist der Rotor 10 in einem Gehäuse 54 des Zentrifugalabscheiders 12 eingesetzt, wobei zwischen der Trommel 14 und einer Innenwand 56 des Gehäuses 54 und zwischen der Schleuderscheibe 26 und der Innenwand 56 des Gehäuses 54 ein Ringspalt verbleibt. Die Innenwand 56 des Gehäuses 54 ist konisch ausgeformt, so dass die abgetrennten Ölanteile 30 je nach Drehzahl des Rotors 10 fliehkraftbedingt oder schwerkraftbedingt an der Innenwand 56 des Gehäuses 54 entlang zurückfließen können. Mit der Antriebswelle 50 kann eine Deckscheibe 58 verbunden sein, um zwischen der Schleuderscheibe 26 und der Deckscheibe 58 einen mit der Eingangsöffnung 18 kommunizierenden Zufuhrkanal 60 zu begrenzen. Der Zufuhrkanal 60 kann über einen Luftkanal 62, in dem der Zentrifugalabscheider 12 eingesetzt ist, mit dem Triebwerksraum kommunizieren.
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Wie in 4 dargestellt kann der Zentrifugalabscheider 12 für eine Vorabscheidung von Öl aus dem Öl/Luft-Gemisch 20 in Höhe einer Kurbelwelle 62 angeordnet sein. Der Zentrifugalabscheider 12 kann insbesondere vor einem Innen-V-Kern des als V-Motor ausgestalteten Verbrennungsmotors 26 vorgesehen sein. Die endgültige Abscheidung des Öls aus dem Öl/Luft-Gemisch 20 erfolgt in Ölabscheidern 64, die im höchsten Punkt des Luftkanals 62 innerhalb eines Zylinderkopfes 66 vorgesehen sind.
