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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Zyklon zum Abscheiden von festen
und/oder flüssigen
Bestandteilen eines Gases oder Gasgemisches, mit einer tangential
in eine Zyklonkammer eines Gehäuses mündenden
Einlaßöffnung für das Gas
bzw. Gasgemisch, mit einer aus der Zyklonkammer führenden Auslaßöffnung für das gereinigte
Gas bzw. Gasgemisch und mit einer Ablaßöffnung für die abgeschiedenen Bestandteile.
Außerdem
bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Reinigung und
zur Zuführung
des Kurbelgehäuseentlüftungsgases
in die Ansaugluft einer Brennkraftmaschine.
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Derartige
Zyklone sind bekannt. Sie werden in vielfältigen Ausführungen zum Reinigen von verunreinigten
Gasen, Gasgemischen, auch Luftmassen, und dergleichen verwendet.
Solche Zyklone sind durch verschiedene typisch verlaufende Kennlinien
gekennzeichnet und können
z. B. als Ölabscheider
für die
Entlüftung
des Kurbelgehäuses
von Brennkraftmaschinen dienen. Zur Verbesserung Ihrer Wirkung wurde
schon vorgeschlagen, die Einlaßöffnung im
Querschnitt variabel durch pneumatische Mittel (
DE 44 04 709 C1 ,
EP 0 667 444 B1 ,
FR 831 357) oder durch eine druckbe aufschlagte Feder (
DE 31 28 470 C2 ) oder durch
ein sonstiges mechanisches Verstellorgan (AT 1 83 207) zu steuern.
Die Verstellung der Geometrie der relativ kleinen Einlaßöffnung erfolgt über sehr
kleine Strecken, an welche die Verstellmittel präzise angepaßt sein müssen. Verunreinigungen verschiedenster
Art, z. B. bei einer mechanisch oder pneumatisch zu betätigenden
Verstellvorrichtung oder in der Einlaßöffnung, können zu Störungen oder einer weniger präzisen Steuerung führen und
den Wirkungsgrad erheblich mindern.
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Ausgehend
von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung das Bestreben
zugrunde, einen Zyklon zu schaffen, der eine genaue selbsttätige Anpassung
seiner Geometrie an verschiedene Betriebszustände sicherstellt und dabei eine
hohe Störsicherheit
aufweist und eine optimale Abscheidungsfunktion über alle Betriebszustände aufweist.
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Hierzu
schlägt
die Erfindung bei einer gattungsgemäßen Ausbildung zunächst vor,
daß das Volumen
der Zyklonkammer derart variabel ausgebildet ist, daß bei ansteigendem
Volumenstrom des den Zyklon durchströmenden Gases oder Gasgemisches sich
das Volumen vergrößert und
bei sinkendem Volumenstrom wieder verkleinert.
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Die
Erfindung sieht also vor, nicht die Einlaßöffnung mit ihrem kleinen Querschnitt,
sondern das relativ große
Volumen der Zyklonkammer zu variieren, um den Zyklon an verschiedene
Volumenströme präzise und
sicher anzupassen. Hierdurch wird ein hoher Wirkungsgrad über einen
großen
Bereich beibehalten. Insbesondere kann dadurch auch bei relativ
kleinem Volumenstrom und kleiner Zyklonkammer eine gute Abscheidewirkung
erzielt werden. Bei größerem Volumenstrom
vergrößert sich
die Zyklonkammer, wodurch ein überhöhter Druckanstieg
vermieden wird. Durch die variable Gestaltung des relativ großen Volumens
ist eine. schnelle, präzise
und feinfühlige
Anpassung an veränderte
Volumenströme möglich.
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An
sich kann das Volumen in unterschiedlicher Weise verändert werden.
Bei einer zumindest im wesentlichen rotationssymmetrischen Ausbildung des
Zyklons wird bevorzugt das Volumen durch Veränderung der Höhe der Zyklonkammer
variabel ausgebildet.
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Dies
ermöglicht
z. B. eine einfache Gestaltung derart, daß die Zyklonkammer durch einen
oberen zylindrischen Abschnitt des Gehäuses und durch einen unteren
konischen Raum mit eigener Konuswandung, die relativ zum Gehäuse verschiebbar
gelagert ist, gebildet ist. Durch Verschieben der Konuswandung verändert sich
die Höhe
der Zyklonkammer.
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Das
Gehäuse
kann rundum geschlossen sein, indem die Konuswandung innerhalb eines
unteren Abschnitts des Gehäuses
verschiebbar gelagert ist. Die leichte Verschiebbarkeit soll bei
möglichst
wenig Volumenverlust gesichert sein.
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Daher
ist zweckmäßig zwischen
dem Gehäuse
und der Konuswandung eine Passung vorgesehen.
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Werden
zwischen dem Gehäuse
und der Konuswandung zwei axial voneinander beabstandete Passungen
vorgesehen, wird die Führung
der im Gehäuse
verschiebbaren Konuswandung deutlich verbessert.
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Zur
Vermeidung von unerwünschten
Gasströmungswegen
bildet die Passung jeweils einen möglichst schmalen, aber die leichte
Verschiebbarkeit der Konuswandung noch sicherstellenden Spalt.
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Jegliche
Gasströmung
durch die Passung wird in der Zyklonkammer ausgeschlossen, indem zwischen
der Konuswandung und dem Gehäuse mindestens
eine leicht bewegliche, vorzugsweise hochflexible Dichtung angeordnet
ist.
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Eine
solche Dichtung kann z. B. als Rollmembrane ausgebildet sein.
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Im
einfachsten Falle ist das Volumen gegen die Kraft einer Feder veränderbar.
Eine solche Feder kann sehr unterschiedlich ausgebildet sein.
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Zunächst bietet
sich an, daß die
Feder als Zug- oder Druckfeder, insbesondere als Schraubenfeder,
ausgebildet ist.
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Die
Feder kann sich z. B. einerseits an der Konuswandung und andererseits
am Gehäuse
abstützen.
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Dabei
kann die Feder konzentrisch um eine zentrisch in der Längsmittelachse
am unteren Ende der Konuswandung angeordnete Durchlaßöffnung angeordnet
ist.
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Hierbei
kann die Durchlaßöffnung in
einem Stutzen angeordnet sein, der vorzugsweise mit geringem Spiel
durch eine Öffnung
in der unteren Wand des unteren Abschnitts ragt.
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Auch
kann eine Schraubendruckfeder sich an einem radialen ringförmigen Absatz
an der Konuswandung abstützen.
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Dieser
radiale ringförmige
Absatz kann sich unmitelbar unterhalb des am oder nahe dem oberen Ende
der Konuswandung angeordneten Spalts erstrecken.
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Anstelle
einer Feder oder auch zusätzlich
zu dieser kann vorgesehen sein, daß das Volumen durch mindestens
eine Verstellvorrichtung, einen Aktuator, veränderbar ist.
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Ein
solcher Aktuator kann vorzugsweise auf die Außenseite der Konuswandung einwirken.
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Bevorzugt
kann der Aktuator mit einer Hilfskraft mechanischer, pneumatischer,
hydraulischer oder elektrischer Art betätigbar sein.
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Die
Hilfskraft kann dabei von einem Kraftspeicher geliefert werden.
Eine solche Hilfskraft kann z. B. bei einem Kraftfahrzeug die Hydraulikpumpe
einer Servolenkung sein. Ein Kraftspeicher kann z. B. im Kraftfahrzeug
der Unterdruckspeicher eines Bremskraftverstärkers sein.
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Der
Aktuator kann z. B. in Abhängigkeit
von der Größe eines
Drucks oder Unterdrucks, insbesondere eines Gasdrucks oder Gasunterdrucks,
betätigbar
sein. Hierzu kann bei einer Brennkraftmaschine z. B. der Unterdruck
der Luftmasse im Ansaugtrakt und/oder der Druck im Kurbelgehäuse dienen.
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Die
Erfindung kann mit besonderem Vorteil bei einer Brennkraftmaschine
eingesetzt werden. Während
des Betriebs einer Brennkraftmaschine, z. B. ein Otto-Motor, werden
durch den verbleibenden Spalt zwischen den Kolbenringen und der
Zylinderwand Verbrennungsgase in das Kurbelgehäuse gedrückt, das als Blow-by-Gas bezeichnet
werden. Das zugeführte
Blow-by-Gas erhöht
den Druck im Kur belgehäuse
und muß daher
abgeführt
werden, bevor der Druck unzulässig
hoch wird. In der Regel wird das Blow-by-Gas über ein sogenanntes. Unterdruckregelventil
wieder dem Ansaugtrakt zugeführt,
um Gasemissionen zu vermeiden. Das Unterdruckregelventil dient dazu,
den Druck im Kurbelgehäuse
in einem optimalen Bereich zu halten. Enthält das wieder zugeführte Blow-by-Gas Ölpartikel
und/oder Wasser- und/oder Kraftstoffpartikel, so können Funktionsstörungen am
Motor auftreten. Um dies zu verhindern, müssen diese Anteile vor der
Rückführung entfernt werden.
Hierzu werden Zyklone eingesetzt, welche die feinsten Ölpartikel,
aber auch eventuelle andere Verunreinigungen wie z. B. Wasser-,
Kraftstoff- oder Rußpartikel,
aus dem Blow-by-Gas abscheiden.
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Die
Abscheideleistung wird durch den Zyklondifferenzdruck bei dem jeweils
herrschenden Volumenstrom bestimmt. Mit zunehmendem Volumenstrom
V steigt der Differenzdruck Dp des Zyklons und damit auch der Abscheidegrad
T an. Der Differenzdruck Dp steigt über dem Volumenstrom V progressiv an.
Jedoch beginnt erst bei Erreichen eines bestimmten Differenzdrucks
Dp der Abscheideeffekt wirksam zu werden.
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Die
Menge an Blow-by-Gas, also der Volumenstrom, einer Brennkraftmaschine
ist über
den gesamten Betriebsbereich nicht konstant. Sie können sich
kurzfristig, teilweise auch stark, ändern, z. B. beim Wechsel in
den Schubbetrieb. Auch bei fortgeschrittenem Verschleiß, z. B.
der Kolbenringe, der Kolben oder der Zylinderwand, oder gar bei
einem Defekt treten größere Mengen
an Blow-by-Gas auf.
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Da
der Differenzdruck des Zyklons unmittelbar den Druck im Kurbelgehäuse erhöhen kann,
aber positive Drücke
im Kurbelgehäuse
generell zu vermeiden sind, bringt die Einbeziehung von Zyklonen das
Auslegungsproblem mit sich, daß selbst
bei maximal möglichen
Volumenstrommengen keine erhöhten
Drücke
im Kurbelgehäuse
auftreten dürfen.
Um dies zu erreichen, wird der Zyklon auf einen maximal möglichen
Volumenstrom bemessen. Bei kleinen Volumenströmen wird somit nur eine geringere
Abscheidewirkung erreicht.
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Um
die vorgenannten Schwierigkeiten zu vermeiden oder zumindest erheblich
zu vermindern, schlägt
die Erfindung des weiteren eine Vorrichtung zur Reinigung von ölhaltigem
Kurbelgehäuseentlüftungsgas
und Zuführung
des gereinigten Kurbelgehäuseentlüftungsgases
in die Ansaugluft einer Brennkraftmaschine vor, die einen Zyklon
nach der oben erläuterten
Erfindung umfaßt.
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Eine
solche Vorrichtung kann einen schon erläuterten, eine Feder aufweisenden
Zyklon in selbsttätiger
Weise nutzen. Hierdurch kommt es, wie schon erläutert, über dem Volumenstrom zu einem verringerten
Differenzdruckanstieg.
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Weiterhin
wird mindestens ein Aktuator vorgeschlagen, der in Abhängigkeit
vom Ansaugdruck der Brennkraftmaschine präzise gesteuert wird. Hierdurch
wird eine genauere Steuerung erzielt.
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Aus
dem gleichen Grund kann vorgesehen sein, daß der Aktuator in Abhängigkeit
vom Kurbelgehäusedruck
der Brennkraftmaschine gesteuert wird.
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Weiterhin
kann die Steuerung optimiert werden, indem der Aktuator über ein
die Brennkraftmaschine steuerndes Steuergerät gesteuert wird.
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Schließlich kann
in Weiterführung
der Erfindung der Aktuator über
eine Regelvorrichtung gesteuert werden, die sowohl den Ansaugdruck
als auch den Kurbelgehäusedruck
auswertet.
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In
der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele,
nämlich
des Zyklons und der Vorrichtung, dargestellt, die nun näher beschrieben
werden.
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1 zeigt
einen im Querschnitt runden Zyklon im Längsschnitt;
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2 zeigt
einen abgewandelten, im Querschnitt ebenfalls runden Zyklon im Längsschnitt;
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3 zeigt
einen weiteren abgewandelten, im Querschnitt runden Zyklon im Längsschnitt;
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4 zeigt
ein Diagramm mit der Relation Differenzdruck des Zyklons zu Volumenstrom,
und zwar bei einem herkömmlichen
Zyklon und bei einem Zyklon nach der Erfindung;
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5 zeigt
ein Diagramm mit der Relation Abscheidegrad des Zyklons zu Volumenstrom,
und zwar bei einem herkömmlichen
Zyklon und bei einem Zyklon nach der Erfindung;
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6 zeigt
ein Diagramm mit der Relation Abscheidegrad des Zyklons zu Differenzdruck,
und zwar bei einem herkömmlichen
Zyklon und bei einem Zyklon nach der Erfindung;
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7 zeigt
eine Vorrichtung für
eine Brennkraftmaschine, bei der ein Zyklon als Ölabscheider dient, in prinzipieller
Darstellung.
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Gemäß 1 besteht
der Zyklon 1 aus einem im Querschnitt kreiszylindrischen
Gehäuse 2,
z. B. aus Kunststoff. Das Gehäuse 2 umschließt in seinem
oberen Abschnitt 3 eine obere Zyklonkammer 4, in
die oben über
einen rohrförmigen
Kanal eine etwa rechteckige Einlaßöffnung 5 tangential
einmündet.
In der Längsachse
X – X
des Zyklons 1 ist in die obere Wand 6 eine zentrische
Auslaßöffnung 7 eingebracht,
die von einem in die Zyklonkammer 4 eintauchenden und über die
Wand 6 ragenden Stutzen 8 begrenzt wird.
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Der
untere Abschnitt 9 des Gehäuses 2 schließt mit einer
unteren Wand 10 ab, in die zentrisch eine stutzenförmige Ablaßöffnung 11 eingebracht
ist. Außerdem
ist in dem unteren Abschnitt 9, ebenfalls zentrisch, ein
separater, sich nach unten trichterförmig verjüngender konischer Raum 12 untergebracht,
der von einer eigenen entsprechend konischen Konuswandung 13 umgeben
ist. Die Konuswandung 13 hat an ihrem oberen, größten Außendurchmesser
DS eine zylindrische Mantelfläche 14, die
zusammen mit der inneren zylindrischen Mantelfläche 15 des Gehäuses 2 mit
dem Innendurchmesser DG eine Passung bildet. Der gebildete Spalt 16, der
in 1 vergrößert dargestellt
ist, ist so ausgelegt, daß eine
gute Verschiebbarkeit in Richtung X – X der Konuswandung 13 innerhalb
des Gehäuses 2 gesichert
ist.
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Die
Konuswandung 13 ist an ihrem oberen Außendurchmesser DS offen; es
steht also der konischer Raum 12 mit der Zyklonkammer 4 in
Verbindung. Die Verbindung zwischen der konischen Innenfläche 17 und
der zylindrischen inneren Mantelfläche 14 ist nur von
dem kleinen Spalt 16 unterbrochen. An seinem unteren Ende
mit kleinem Durchmesser weist die Konuswandung 13 eine
zentrische Durchlaßöffnung 18 auf,
die von einem kleinen Stutzen 19 umgeben ist. Die Durchlaßöffnung 18 liegt
im Abstand A somit genau oberhalb der Ablaßöffnung 11.
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Unterhalb
der Mantelfläche 14 weist
die Konuswandung 13 einen radialen ringförmigen Absatz 20 auf,
der als Widerlager für
das obere Ende einer zylindrischen Schraubendruckfeder 21 dient.
Die Schraubendruckfeder 21 ist im unteren Abschnitt 9 des
Gehäuses 2 und
konzentrisch um die Konuswandung 13 mit Spiel zur Mantelfläche 15 gelagert
und stützt
sich mit ihrem unteren Ende auf der unteren Wand 10, konzentrisch
um die Ablaßöffnung 11,
ab.
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Anstelle
der bloßen
Dichtwirkung durch den Spalt 16 kann in diesem Bereich
oder unterhalb des Bereichs eine möglichst flexible Dichtung,
z. B. in Form einer ringförmigen
Rollmembrane, zwischen der Mantelfläche 15 und der Konuswandung 13 angeordnet
werden. Dann sind jegliche Spaltverluste ausgeschlossen.
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Die Wirkungsweise des
Zyklons 1 ist folgende
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Bei
ansteigendem Volumenstrom V und damit Strömungsdruck auf die Konuswandung 13 wird diese
gegen die Kraft der Schraubendruckfeder 21 nach unten gedrückt. Dies
geht maximal so weit, bis die Schraubendruckfeder 21 ganz
zusammengedrückt
ist oder der Abstand A = 0 ist. Aus der Höhe H1 der Zyklonkammer 4 wird
z. B. die Höhe
H2; die Zyklonhöhe
vergrößert sich,
das Zyklonvolumen VZ nimmt zu. Das Zyklonvolumen VZ paßt sich
somit selbsttätig
an den jeweiligen Volumenstrom V an und der Differenzdruckanstieg des
Gesamtbauteils wird über
den Volumenstrom je nach Federauslegung reduziert.
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In 2 ist
eine Abwandlung der Ausführung nach 1 dargestellt.
Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Hier
ragt ein Stutzen 19a durch eine zentrische Öffnung 11a in
der unteren Wand 10. Dadurch ergibt sich zusätzlich zu
der Passung im Spalt 16 eine zweite Passung, nämlich zwischen
dem Außenumfang
des Stutzens 19a und dem Innenumfang der Öffnung 11a.
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In 3 ist
eine weitere Abwandlung der Ausführung
nach der vorbeschriebenen 2 dargestellt.
Hier sind anstatt einer Feder ein oder mehrere Aktuatoren 47 angeordnet.
Die Aktuatoren 47 sind an der unteren Wand 10 des
Gehäuses 2 gelagert
und wirken auf die Außenseite 20a der
Konuswandung 13 axial, in Richtung X – X, ein. Durch die Aktuatoren 47 kann
somit die Höhe
H1 und damit das Zyklonvolumen ZV in Abhängigkeit von bestimmten Größen verändert werden.
Die Wirkungsweise der Aktuatoren 47 wird weiter unten anhand
von 7 noch näher beschrieben
werden.
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In 4 ist
das Differenzdruckverhalten Dp eines Zyklons, der nach der Erfindung
mit einer Feder versehen ist (mit DpE bezeichnet), dem Differenzdruckverhalten
eines herkömmlichen
Zyklons (mit DpA bezeichnet) über
dem Volumenstrom V gegenübergestellt.
Die progressive Kurve DpE des Zyklons nach der Erfindung ist viel
flacher und zeigt im unteren Bereich Bu des Volumenstroms eine Erhöhung und
im oberen Bereich Bo eine Reduzierung des Differenzdrucks. Es kommt
also generell zu einem verringerten Anstieg des Differenzdrucks.
Damit wird insbesondere vermieden, daß bei der Verwendung des Zyklons
an einer Brennkraftmaschine (7) selbst
bei größeren Mengen
an Blow-by-Gas, wie z. B. nach großem Motorverschleiß mit verringerter
Wirkung der Kolbenringdichtung, es aufgrund zu hoher Zyklon-Differenzdruckwerte
zu einem unerlaubt hohen Druck im Kurbelgehäuse kommt. Die Federcharakteristik
der genannten Feder kann so ausgelegt werden, daß diese selbsttätige positive
Anpassung weitgehend nach vorgegebenen Werten vorgenommen wird.
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In 5 ist
der Abscheidegrad T eines Zyklons, der nach der Erfindung mit einer
Feder versehen ist (mit T E bezeichnet), dem Abscheidegrad eines
herkömmlichen
Zyklons (mit T A bezeichnet) über
dem Volumenstrom V gegenübergestellt.
Die degressive Kurve ist hier bei dem erfindungsgemäßen Zyklon,
T E, viel flacher und zeigt im unteren Bereich Bu des Volumenstroms
V eine signifikante Erhöhung
des Abscheidegrades und im oberen Bereich Bo eine nur geringfügige, tolerierbare
Reduzierung des Abscheidegrades. Bei entsprechender Auslegung der
Federcharakteristik nimmt also der Abscheidegrad mit abnehmendem
Volumenstrom über einen
weiten Bereich weniger stark ab.
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In 6 ist
der Abscheidegrad T E eines erfindungsgemäßen Zyklons dem Abscheidegrad
T A eines herkömmlichen
Zyklons über
dem Differenzdruck Dp gegenübergestellt.
Beide Kurven sind praktisch identisch. Daraus wird deutlich, daß das Abscheideverhalten über dem
Differenzdruck praktisch gleich bleibt. Dadurch erzielt der erfindungsgemäße Zyklon
im Mittel über
alle Betriebsbereiche, z. B. einer Brennkraftmaschine, ein verbessertes
Abscheideverhalten.
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In 7 ist
eine Vorrichtung 30 in schematischer Darstellung gezeigt,
bei der ein erfindungsgemäßer Zyklon 31 als Ölabscheider
für eine
Brennkraftmaschine 33 verwendet ist. Der Zyklon 31 dient hier
zur Reinigung des Kurbelgehäuseentlüftungsgases
und zur Zuführung
des gereinigten Gases in die Ansaugluft. Hierzu umfaßt die Vorrichtung 30 zunächst einen
Ansaugtrakt 32, der zur Zuführung von Verbrennungsluft
zur Brennkraftmaschine 33 dient. Die Brennkraftmaschine 33 umfaßt Einlaßventile 34, einen
Zylinder 35, einen darin angeordneten Kolben 36,
ein Pleuel 37, eine Kurbelwelle 38, ein Kurbelgehäuse 39 und
eine Ölwanne 40 mit
einem Ölsumpf 41.
Das Kurbelgehäuse 39 ist
im oberen Bereich mit einer Entlüftungsleitung 42 verbunden,
die das Kurbelgehäuseentlüftungsgas
zum Zyklon 31 führt.
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Die
Leitung 42 entspricht der Leitung, die bei dem Zyklon 1 in 1 über die
Einlaßöffnung 5 mit der
Zyklonkammer 4 in Verbindung steht. Hier in 7 ist
die Zyklonkammer mit 43 bezeichnet. Von der Zyklonkammer 43 führt eine
Rohrleitung 44 für das
gereinigte Kurbelgehäuseentlüftungsgas
in den Ansaugtrakt 32. Vom unteren Ende des Zyklons führt eine
Rohrleitung 46 für
das abgeschiedene Öl
in die Ölwanne 40.
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In
dem in 7 dargestellten Beispiel ist eine gesteuerte Verstellvorrichtung
in Form mindestens eines anhand von 3 schon
kurz beschriebenen Aktuators 47 vorgesehen, der hier elektrisch
betätigt
wird. Der Aktuator 47 wirkt auf die hier mit der Bezugsziffer 47 versehene
Konuswandung im Zyklon 31 und verändert das Volumen der Zyklonkammer 43 durch
Veränderung
der Kammerhöhe
H entsprechend dem Doppelpfeil. Damit werden die oben schon geschilderten
Vorteile erzielt.
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Die
Steuerung des elektrischen Aktuators 47 erfolgt über eine
Regelvorrichtung 48. Die Regelvorrichtung 48 berücksichtigt
den Kurbelgehäusedruck DK
und andere, von einem Motorsteuergerät 49 gelieferte Parameter,
insbesondere hier den Druck DA im Ansaugtrakt 32. Die Nutzung
des Mo torsteuergeräts 49 ermöglicht zusätzlich die
Berucksichtigung weiterer Parametern zur Steuerung des Aktuators 47 und
die Darstellung von Sonderfunktionen für bestimmte Motorbetriebszustände, die
z. B. von der Regelkennlinie eines sonst üblicherweise verwendeten Druckregelventils
abweichen können.