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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ölabscheider zur Abscheidung von Ölnebel und/oder Öltröpfchen aus Gasen. Sie betrifft weiterhin ein Entlüftungssystem mit einem derartigen Ölabscheider sowie einen Verbrennungsmotor mit einem derartigen Ölabscheide- und/oder Entlüftungssystem.
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Ölabscheider werden in vielen Bereichen zur Abscheidung von Ölnebel und/oder Öltröpfchen aus Gasen eingesetzt. Insbesondere werden sie verwendet, um aus Blow-by Gasen eines Verbrennungsmotors darin enthaltenes Motoröl in Form von Ölnebel und/oder Öltröpfchen soweit wie möglich zu entfernen. Die von Ölnebel und/oder Öltröpfchen weitestgehend gereinigten Blow-by Gase werden dann üblicherweise in den Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zurückgeführt.
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Soweit im Folgenden von gereinigten Gasen gesprochen wird, meint dies Gase, die von wesentlichen Anteilen des Ölnebels und der Öltröpfchen gereinigt sind. Eine Verbesserung der Reinigungswirkung wird beispielsweise durch die vorliegende Erfindung erzielt.
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Zum Einsatz kommen dabei insbesondere Ölabscheider mit einer Abscheidekammer, die von den zu reinigenden Gasen durchströmt wird. Insbesondere werden sog. aktive Ölabscheider verwendet, bei denen innerhalb der Abscheidekammer ein aktiv angetriebenes Abscheideelement, beispielsweise ein Tellerseparator, angeordnet ist. Ein derartiges Abscheideelement wie beispielsweise ein Tellerseparator ist drehbar gelagert und wird zur Abscheidung von Ölnebel und/oder Öltröpfchen aus dem zwischen den einzelnen Tellern des Tellerseparators strömenden Gas mit hoher Drehzahl gedreht.
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Der Antrieb derartiger Tellerseparatoren erfolgt über ein Antriebselement, das in einer von der Abscheidekammer getrennten Antriebskammer gelagert ist und beispielsweise mit Hilfe des Öldrucks des Motoröls angetrieben wird. Antriebselement und Tellerseparator sind üblicherweise über eine Welle verbunden. Zwischen der Abscheidekammer und der Antriebskammer ist eine Trennwand angeordnet, die gegenüber der Welle eine Dichtung aufweist, beispielsweise eine Labyrinthdichtung.
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Insbesondere bei einem hydraulisch mit dem Motoröl angetriebenen Antriebselement oder sofern das abgeschiedene Öl über die Antriebskammer in das Kurbelgehäuse zurückgeleitet wird, sind sowohl der Gaseinlaß der Abscheidekammer als auch die Antriebskammer mit dem Kurbelgehäuse verbunden.
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Insbesondere bei einem hydraulisch mit dem Motoröl angetriebenen Antriebselement oder sofern das abgeschiedene Öl über die Antriebskammer in das Kurbelgehäuse zurückgeleitet wird, sind sowohl der Gaseinlaß der Abscheidekammer als auch die Antriebskammer mit dem Kurbelgehäuse verbunden. Dabei werden die Druckverhältnisse sowohl von den Volumenströmen des Blow-By-Gases als auch von der Rotation des Abscheideelements beeinflusst. Beide Größen können in der Praxis nicht getrennt werden, sollen hier zum besseren Verständnis aber getrennt betrachtet werden. Bei isoliert betrachteter Rotation des Abscheidelements ergibt sich am Gasauslass des Abscheideelements ein höherer Druck als an seinem Gaseinlass. Dabei ist zu beachten, dass mit steigender Drehzahl des Abscheideelements die Drückdifferenz über den Ölabscheider steigt. Bei isolierter Betrachtung des Blow-By-Gas-Volumenstroms steigt der Druck am Gaseinlass der Abscheidekammer im Wesentlichen exponentiell mit dem Volumenstrom an. Ein steigender Volumenstrom wirkt dabei also entgegen der Druckdifferenz des rotierenden Abscheiders. Im Wesentlichen wirkt diese Druckdifferenz auch zwischen der Antriebskammer und dem Gasauslass der Abscheidekammer, da die Antriebskammer mit dem Kurbelgehäuse verbunden ist. Steigt der Volumenstrom sehr stark an, kann dessen Druck die Druckdifferenz am Abscheider überwiegen, dabei ergibt sich auch eine Umkehr der Druckverhältnisse zwischen Antriebskammer und Gasauslass der Abscheidekammer, so dass bereits abgeschiedenes und in die Antriebskammer ausgeleitetes Öl und gegebenenfalls Antriebsöl von der Antriebskammer durch die Labyrinthdichtung hindurch in die Abscheidekammer gelangen kann (sog. Ölreißen).
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In einer Ausführungsform treibt das Antriebselement ein Element zur Erzeugung von Unterdruck, beispielsweise ein Flügelrad, an, mit dem im Bereich der Labyrinthdichtung ein Unterdruck in der Antriebskammer gegenüber der Abscheidekammer erzeugt wird. Auf diese Weise wird normalerweise verhindert, dass die Abscheidekammer bereits abgeschiedenes und in die Antriebskammer ausgeleitetes Öl und gegebenenfalls auch Motoröl, das zum Antrieb des Antriebselementes verwendet wird, aus der Antriebskammer, gegebenenfall auch über eine Labyrinthdichtung in der Trennwand, in die Abscheidekammer ansaugt (sog. Ölreißen). Bei hohen Volumenströmen des zu reinigenden Gases ergibt sich hier zusätzlich der Effekt, dass die Drehzahl des Tellerseparators aufgrund des erhöhten Luftwiderstandes in der Abscheidekammer sinken kann. Sinkt diese Drehzahl, so sinkt auch die Drehzahl des Elementes, das auf Seiten der Antriebskammer für eine zusätzliche Druckabsenkung an der Labyrinthdichtung sorgt, so dass erleichtert Öl aus der Antriebskammer über die Labyrinthdichtung in die Abscheidekammer angesaugt werden kann.
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Es sind auch weitere Betriebszustände des aktiven Ölabscheiders denkbar, bei denen die Druckverhältnisse zwischen Antriebskammer und Abscheidekammer derart ungünstig sind, dass Öl aus der Antriebskammer in die Abscheidekammer angesaugt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung stellt es sich daher zur Aufgabe, einen Ölabscheider, ein Entlüftungssystem und einen Verbrennungsmotor zur Verfügung zu stellen, die getrennt eine Antriebskammer und eine Abscheidekammer aufweisen und bei denen die Druckverhältnisse zwischen der Antriebskammer und der Abscheidekammer zuverlässig unter sämtlichen Betriebszuständen des Ölabscheiders ein Ölreißen zwischen der Antriebskammer und der Abscheidekammer verhindern.
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Diese Aufgabe wird durch den Ölabscheider nach Anspruch 1, das Entlüftungssystem nach Anspruch 9 und den Verbrennungsmotor nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ölabscheiders werden in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
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Der erfindungsgemäße Ölabscheider weist wie vorstehend beschrieben eine Abscheidekammer auf, die einen Einlass und einen Auslass für Gase aufweist, um zu reinigende Gase durch die Abscheidekammer zu führen. In der Abscheidekammer ist ein Abscheideelement drehbar angeordnet. Weiterhin ist eine Antriebskammer vorgesehen, in der ein Antriebselement, vorteilhafterweise drehbar, angeordnet ist. Antriebselement und Abscheideelement sind über eine Welle miteinander über eine Trennwand zwischen Abscheidekammer und Antriebskammer hinweg miteinander drehbar verbunden. Mit anderen Worten erstreckt sich die Welle durch eine Durchgangsöffnung in der Trennwand von der Antriebskammer zur Abscheidekammer und verbindet dabei das Antriebselement mit dem Abscheideelement so, dass sie miteinander rotieren können ohne dass sie sich relativ zueinander bewegen.
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Um unter sämtlichen Betriebszuständen, insbesondere bei hohen Volumenströmen, hinreichende Druckverhältnisse in der Abscheidekammer zu gewährleisten, ist nun erfindungsgemäß eine Venturidüse vorgesehen, deren Abnahmerohr mit dem Auslass des Ölabscheiders für gereinigte Gase verbunden ist.
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Venturidüsen, auch Saugstrahlpumpen genannt, erzeugen an ihrem Abnahmerohr (Vakuumanschluss) einen Unterdruck, der in der vorliegenden Erfindung dazu verwendet wird, um auch hohe Volumenströme gesichert aus der Abscheidekammer abzuführen. Hierzu verwendet eine Venturidüse ein zweites strömendes Medium, das im Bereich der Düse beschleunigt wird und so einen statisch niedrigen Druck in dem Abnahmerohr erzeugt. Als zweites Fluidmedium wird bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt Gas aus dem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors, insbesondere nach Verdichtung beispielsweise durch einen Turbolader oder einen Kompressor, verwendet. Vom Ausgang der Venturidüse werden die abgesaugten zu reinigenden Gase und dieses zweite Medium zurück in den Ansaugtrakt geführt.
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Der erfindungsgemäße Abscheider für Ölnebel und/oder Öltröpfchen verhindert zuverlässig das Ansaugen von Öl aus der Antriebskammer in die Abscheidekammer (sog. Ölreißen). Weiterhin ist vorteilhaft, dass der von der Venturidüse erzeugte Unterdruck sehr effizient für die Abscheidung von Ölnebel und Öltröpfchen in der Abscheidekammer genutzt wird, da der zusätzlich erzeugte Unterdruck am Auslass der Abscheidekammer dazu führt, dass der Ölabscheider auch bei erhöhten Volumenströmen seine Abscheideleistung aufrechterhalten kann.
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Die Verwendung einer Venturidüse ist insbesondere vorteilhaft, da Venturidüsen leicht skalierbar sind, auch extern angebracht werden können und so je nach Einsatzzweck und beispielsweise verwendetem Motortyp eine geeignete Venturidüse verwendet werden kann.
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Alternativ kann die Venturidüse auch einteilig/einstückig mit dem Ölabscheider, insbesondere mit der Abscheidekammer, ausgeführt werden. Hierdurch ergeben sich kurze Leitungslängen, die zu einem geringen Druckverlust in den Leitungen, einem geringen Risiko für Kondensation sowie zu Platzersparnis führen. Außerdem erleichtert es eine einteilige oder einstückige Ausführungsform, die Abwärme des Abscheiders zu verwenden, um damit die Venturidüse und das über den Vakuumanschluß eingeleitete gereinigte Gas zu erwärmen und ein Vereisen der Venturidüse zu verhindern.
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Als Venturidüse kann eine offene oder eine geschlossene Venturidüse verwendet werden. Bei offenen Venturidüsen mündet die Düse in den Bereich des Anschlusses des Vakuumanschlusses. Bei geschlossenen Düsen ragt die Düse in den Bereich des Vakuumanschlusses.
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Wie bereits im vorigen Abschnitt beschrieben, kann der Ölabscheider vorteilhafterweise ein aktiver Ölabscheider sein, bei dem das Abscheideelement ein Tellerseparator ist, der vorteilhafterweise durch ein Antriebselement, beispielsweise eine Turbine, angetrieben wird. Vorteilhafterweise wird das Antriebselement durch den Öldruck des Motoröls angetrieben. Jedoch sind auch elektrische oder elektrostatische Antriebselemente möglich; auch hier wird der Druck im Kurbelgehäuse reduziert.
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Die Venturidüse kann vorteilhafterweise mit weiteren den Druck in dem Ölabscheider beeinflussenden Elementen kombiniert werden. So ist beispielsweise durch die Verwendung eines Druckregelventils bzw. Sperrventils zwischen der Abscheidekammer und der Venturidüse oder in Strömungsrichtung hinter der Venturidüse möglich zu verhindern, dass der Luftstrom unter ungünstigen Druckverhältnissen seine Richtung umkehrt und über den Auslass in die Abscheidekammer strömt.
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Besonders vorteilhaft wird der erfindungsgemäße Ölabscheider so ausgeführt, dass in der Antriebskammer eine mit der Welle gekoppelte Vorrichtung vorgesehen ist, beispielsweise ein Flügelrad, das im abgedichteten Bereich zwischen der Antriebskammer und der Abscheidekammer einen Unterdruck erzeugt. Dieser Unterdruck verhindert, dass Fluide, beispielsweise bereits abgeschiedenes und in die Antriebskammer ausgeleitetes Öl, Schmieröl oder Motoröl, das zum Antrieb in der Antriebskammer verwendet wird, in die Abscheidekammer gesaugt wird. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung einer Venturidüse am Ausgang der Abscheidekammer wird unter allen Betriebszuständen sichergestellt, dass die zu reinigenden Gase gesichert aus der Abscheidekammer abtransportiert werden. Damit wird einer Erhöhung des Drucks im Kurbelgehäuse und auch einer Absenkung der Drehzahl des Abscheideelementes entgegengewirkt. Dies bedeutet, dass auch die Drehzahl des zugehörigen und über die Welle gekoppelten Flügelrades nicht absinkt und so der erforderliche Unterdruck auf Seiten der Antriebskammer an der Dichtung zwischen Antriebskammer und Abscheidekammer aufrechterhalten wird. Der Übertritt von Fluiden wie Gasen oder Flüssigkeiten, insbesondere von Öl von der Antriebskammer in die Abscheidekammer wird damit zuverlässig verhindert.
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Im Folgenden werden einige Beispiele erfindungsgemäßer Ölabscheider, erfindungsgemäßer Entlüftungssysteme und erfindungsgemäßer Verbrennungsmotoren gegeben. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, so dass die Beschreibung der Bezugszeichen teilweise nicht wiederholt wird. In den nachfolgenden Beispielen sind neben den gemäß Anspruch 1 wesentlichen Merkmalen der vorliegenden Erfindung jeweils eine Vielzahl von optionalen Weiterbildungen in Kombination miteinander dargestellt. Es ist jedoch auch möglich, die vorliegende Erfindung durch lediglich jeweils eines der optionalen Merkmale weiterzubilden, oder durch eine Kombination der dargestellten optionalen Merkmale innerhalb eines Beispiels oder auch einer Kombination verschiedener optionaler Merkmale in verschiedenen Beispielen weiterzubilden.
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Es zeigen
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1 bis 2 einen Verbrennungsmotor nach der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Betriebszuständen;
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3 einen erfindungsgemäßen Ölabscheider;
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4 einen weiteren erfindungsgemäßen Ölabscheider; und
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5 ein Druck-Volumenstrom-Diagramm.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor mit einem Zylinderkurbelgehäuse 82, an dem eine Ölwanne 83 angeordnet ist zum Auffangen des im Motor zirkulierenden Motoröls. Das Kurbelgehäuse 82 ist von einem Zylinderkopf 81 und dieser von einer Ventilhaube/Zylinderkopfhaube 80 bedeckt. Von einem Luftfilter 10 über eine Drosselklappe 11, einen Verdichter 12 und einen Ladeluftkühler 13 wird über eine Verbrennungsluftleitung 4 mit den Abschnitten 4a, 4b, 4c und 4d Frischluft in den Zylinderkopf 81 zur Verbrennung im Kurbelgehäuse 82 geleitet. Über eine Entlüftungsleitung 5 mit den Abschnitten 5a, 5b, 5c und 5d werden Blow-By-Gase aus dem Kurbelgehäuse 82 abgeleitet. Diese strömen zuerst durch ein Druckregelventil 20 und dann über ein erstes Abscheideelement 21 zu einer Venturidüse 30. Die Entlüftungsleitung endet mit ihrem Abschnitt 5c im Abnahmerohr 31/Unterdruckanschluss 31 der Venturidüse 30. Die Venturidüse 30 wird weiterhin über eine Leitung 6 mit ihrem Druckeinlass 32 mit der Belüftungsleitung 4 in deren Abschnitt 4d verbunden. Der Gasauslass 33 der Venturidüse 30 ist über den vierten Abschnitt 5d der Entlüftungsleitung 5 mit der Belüftungsleitung 4 im Abschnitt 4a zwischen dem Ladeluftfilter 10 und der Drosselklappe 11 verbunden. Zwischen Einlass 32 und Auslass 33 ist der Strömungsquerschnitt verengt (34), so dass die durchströmenden Gase beschleunigt werden.
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In 1 ist ein Zustand dargestellt, bei dem der Kompressor 12 einen hohen Druck in der Leitung 6 zur Verfügung stellt. Dementsprechend liegt am Abnahmerohr 31 der Venturidüse 30 ein hoher Unterdruck an. Dieser erhöhte Unterdruck wirkt durch den Ölabscheider 21, die Leitungsabschnitte 5b, 5a und das Druckregelventil 20 bis in das Kurbelgehäuse 82 und senkt dort das Druckniveau ab.
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2 zeigt einen Zustand desselben Verbrennungsmotors wie 1 im Teillastbetrieb. Die Drosselklappe 11 ist nunmehr fast geschlossen, so dass sich der Fluidstrom in der Venturidüse umkehrt und nunmehr Gas über die Leitung 6 von der nunmehrigen Eingangsseite 33 zur jetzigen Ausgangsseite 32 (man beachte die unterschiedliche Funktion von Auslass und Einlass 32 und 33 im Vergleich zur 1) strömt. Zugleich wird aufgrund des hohen Unterdrucks im Leitungsabschnitt 4d der Belüftungsleitung dieses Gas in die Belüftungsleitung 4d und damit in den Zylinderkopf 81 gesaugt. Auch gereinigte Blow-By-Gase strömen vom Ölabscheider 21 über den Leitungsabschnitt 5c und die Leitung 6 in den Ansaugtrakt und weiter in den Zylinderkopf 81. Damit ist auch im Teillast- oder Leerlaufbetrieb eine zuverlässige Entlüftung des Ölabscheiders 21 gewährleistet. Das Rückschlagventil 29 verhindert in diesem Betriebszustand, dass Frischluft aus dem Abschnitt 4a der Ansaugleitung in Richtung der Venturidüse 30 gezogen wird.
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3 zeigt einen Ölabscheider gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieser Ölabscheider ist als aktiver Ölabscheider 40 mit einem Gehäuse 41 und einer Abscheidekammer 32 mit einem Tellerseparator 43 versehen, dessen Teller hier nicht im Einzelnen dargestellt sind. Der Tellerseparator 43 wird über eine Welle 44 angetrieben. Benachbart zu der Kammer 42 ist eine Antriebskammer 45 vorgesehen, in der eine Turbine als Antriebselement 47 auf derselben Welle 44 wie der Tellerseparator 43 angeordnet ist. Die Turbine 47 wird durch den Öldruck des Motoröls angetrieben und treibt dabei ihrerseits den Tellerseparator 43 an. Abscheidekammer 42 und Antriebskammer 45 sind in dem gemeinsamen Gehäuse 41 angeordnet und über eine Trennwand 46 voneinander getrennt. Dort, wo die Welle 44 diese Trennwand 46 durchbricht, ist eine Dichtung, beispielsweise eine Labyrinthdichtung 48 angeordnet, die zwischen der Antriebskammer 45 und der Abscheidekammer 42 abdichtet. Um zu verhindern, dass Motoröl, das dem Antrieb der Turbine 47 dient, von der Antriebskammer 45 über die Dichtung 48 in die Abscheidekammer 42 gesaugt wird, treibt die Turbine 47 ein Flügelrad 50 als Unterdruckerzeugungsvorrichtung an. Dieses Flügelrad erzeugt auf Seiten der Antriebskammer 45 in jedem Betriebszustand des Ölabscheiders einen Unterdruck gegenüber der Abscheidekammer 42.
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Bei sehr hohem Volumenstrom der Blow-By-Gase (beispielsweise unter Volllast eines Verbrennungsmotors) steigt der Druck im Kurbelgehäuse 82 und in der Abscheidekammer 42 an. Durch die Kommunikation zwischen dem Kurbelgehäuse 82 und der Antriebskammer 45 steigt auch der Druck im Antriebsraum 45 an. Dies kann dazu führen, dass Öl aus der Antriebskammer 45 die Dichtung 48 überwindet (sog. Ölreißen) und dem Blow-By-Gas in der Abscheidekammer 42 beigemengt wird, was unerwünscht ist.
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Um dies zu verhindern, ist eine Venturidüse 30 am Auslass 49 der Ölabscheidekammer 42 angeordnet. Die Venturidüse 30 ist durch ihren Unterdruckanschluss 31 mit dem Auslass 49 verbunden. Weiterhin weist die Venturidüse einen Drucklufteinlass 32 und einen Druckluftauslass 33, der mit dem Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors verbunden werden kann, auf.
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In 3 sind Abscheidekammer 42 und Venturidüse 30 als einstückig gefertigtes Bauteil ausgeführt. Hierdurch ergeben sich kurze Wege für das abzuführende gereinigte Gas und das Kondensationsrisiko wird durch die Nutzung der Abwärme der Abscheidekammer 42 in der Venturidüse 30 minimiert. Die Venturidüse 30 ist als geschlossene Venturidüse ausgelegt.
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Am Übergang von dem Drucklufteinlass 32 zum Druckluftauslass 33 ist die Düse verengt. An dieser Engstelle 34 werden die Gase beschleunigt und führen so zu einem statischen Unterdruck im Unterdruckanschluss 31. Durch die Venturidüse 30 kann das Druckniveau des Kurbelgehäuses 82 und damit auch der Antriebskammer 45 abgesenkt werden, so dass das Risiko des Ölreißens deutlich vermindert wird. Folglich ist eine ausreichende Ölabscheidung über einen größeren Bereich von Blow-By-Gas-Volumenströmen gewährleistet.
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4 zeigt ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Ölabscheiders, der grundlegend gleich aufgebaut ist, wie derjenige in 3. Im Unterschied zu 3 ist jedoch eine Venturidüse 30 vorgesehen, die als von dem Gehäuse 41 des Ölabscheiders unabhängiges Bauteil gefertigt ist. Die Venturidüse 30 ist hier als offene Venturidüse ausgelegt.
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Grundsätzlich können die Venturidüsen sowohl des Ausführungsbeispiels der 3 als auch des Ausführungsbeispiels der 4 in beide Richtungen von dem Druckfluid durchströmt werden. Lässt man ein ggf. vorhandenes Rückschlagventil 29 außer Acht, so liegt mit der geschlossenen Venturidüse 30 der Figur 30 unabhängig davon, in welche Richtung das Druckfluid durch die Venturidüse strömt (vom Bezugszeichen 32 zum Bezugszeichen 33 oder umgekehrt), am Abnahmerohr/Unterdruckanschluss 31 ein Unterdruck an, während mit der offenen Venturidüse 30 der 4 nur dann ein Unterdruck am Abnahmerohr/Unterdruckanschluss 31 an, wenn das Druckfluid vom Bezugszeichen 33 zum Bezugszeichen 32 durch die Venturidüse strömt.
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5 zeigt die Abhängigkeit der Druckdifferenz ∆p zwischen dem Einlaß der Abscheidekammer und dem Auslaß der Abscheidekammer in Abhängigkeit vom Volumenstrom V . der Blow-By-Gase. Beim Anstieg des Volumenstroms V . steigt die Druckdifferenz ∆p an, bis sie den kritischen Druck ∆pk erreicht, bei dem Ölreißen auftreten kann. Die obere Kurve zeigt dabei den Druckverlauf bei einem herkömmlichen Aktivölabscheider ohne erfindungsgemäße Venturidüse. Der kritische Druck ∆pk wird bei einem Volumenstrom V .1 erreicht. Die untere Kurve zeigt den Druckverlauf bei einem erfindungsgemäßen Aktivölabscheider. Durch die Venturidüse ist die Druckdifferenz ∆p um den Wert ∆∆p abgesenkt, so dass der kritische Druck ∆pk erst bei einem gegenüber V .1 höheren Volumenstrom V .2 erreicht wird. Der erfindungsgemäße Ölabscheider verhindert also ein frühzeitiges Einsetzen von Ölreißen.
