EP1999344A2 - Vorrichtung zur abscheidung von fluidpartikeln aus einem aus einem kurbelgehäuse austretenden gasstrom - Google Patents

Vorrichtung zur abscheidung von fluidpartikeln aus einem aus einem kurbelgehäuse austretenden gasstrom

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EP1999344A2
EP1999344A2 EP07726982A EP07726982A EP1999344A2 EP 1999344 A2 EP1999344 A2 EP 1999344A2 EP 07726982 A EP07726982 A EP 07726982A EP 07726982 A EP07726982 A EP 07726982A EP 1999344 A2 EP1999344 A2 EP 1999344A2
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cylinder
flow
orifice
gas flow
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Mann and Hummel GmbH
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    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C11/00—Accessories, e.g. safety or control devices, not otherwise provided for, e.g. regulators, valves in inlet or overflow ducting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01M—LUBRICATING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; LUBRICATING INTERNAL COMBUSTION ENGINES; CRANKCASE VENTILATING
    • F01M13/00—Crankcase ventilating or breathing
    • F01M13/04—Crankcase ventilating or breathing having means for purifying air before leaving crankcase, e.g. removing oil
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01M13/00—Crankcase ventilating or breathing
    • F01M2013/0038—Layout of crankcase breathing systems
    • F01M2013/005—Layout of crankcase breathing systems having one or more deoilers
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    • F01M13/04—Crankcase ventilating or breathing having means for purifying air before leaving crankcase, e.g. removing oil
    • F01M2013/0422—Separating oil and gas with a centrifuge device
    • F01M2013/0427—Separating oil and gas with a centrifuge device the centrifuge device having no rotating part, e.g. cyclone

Definitions

  • the invention relates to a device for separating fluid particles from a gas flow leaving a crankcase with a valve element for distributing the gas flow in proportion to the volume flow to at least two fluid separation devices.
  • the object of the invention is to improve a known device for the separation of fluid particles from a gas stream, which escapes in particular from a crankcase, so that a more stable, low-vibration Behhal ⁇ th is achieved and also less space is claimed.
  • the piston-cylinder arrangement in which a loose clearance between the piston and cylinder is provided from the outset, a very compact design is achieved, which is also produced in a simple and cost-effective manner from injection-molded plastic parts.
  • the geometrical tolerances always to be included in injection-molded parts are accepted from the outset and advantageously taken into account by deliberately inducing leak flows along the piston in order to supply a gas flow to the downstream end of the valve element in the base-load operation lead and from there to supply a Fluidabscheide worn.
  • the leakage flow can progressively larger who be increased ⁇ Denden annular gap around the piston by one along the piston travel. This can be limited by increasing the volume flow of the associated pressure loss through the piston.
  • the leakage currents can continue to be influenced by the fact that other regions of the axial cross-section ⁇ surface of the piston be made gas permeable, at ⁇ example by axial bores or grooves in the cylindrical piston wall.
  • the piston of the device according to the invention is not moved axially.
  • the volume flow increases the to be de-oiled gases on, however, so the back pressure increases on the piston, which forms a flow obstacle on the raw gas side end and moves it against the spring force, whereby the radial outlet opening is released in the cylinder wall, so that the raw gas di ⁇ rectly can flow in there.
  • the connection of the second Fluidabscheide drove not abruptly, but that the diverted Volu ⁇ menstrom increases continuously because the piston, the orifice only a gap wide releases and then with increasing displacement more and more opening area is available.
  • the valve element according to the invention acts quasi as a switch to the second, more efficient separation device, which is designed in particular as a per se known cyclone for separating oil from Kurgepatusentlriosungsgasen.
  • provision may still be made to provide one or more further fluid separation devices and to supply them via additional outlet openings arranged downstream with respect to the first outlet opening.
  • additional outlet openings arranged downstream with respect to the first outlet opening.
  • a small gas stream passes by the piston to the first fluid separation device.
  • the second fluid separation device In a second operating state with increased volume flow, the second fluid separation device is released.
  • the third fluid separation device can also be released.
  • the advantage of the system according to the invention lies in the fact that the volume flows are mutually be ⁇ thing and only a common switching element, the piston in the cylinder, divided.
  • a switching mög ⁇ Lich as stated above, namely, when the piston serves as a flow obstacle and the size of the first Mün ⁇ opening, including the second Fluidabscheide founded be interpreted in that, after switching, no appreciable gas flow more passes through the piston and is introduced into the first fluid separation device.
  • a uniform distribution can also be provided, so that when the second fluid separation device is enabled, the two fluid separation devices each receive an approximately equal gas flow.
  • the piston can be guided axially on a guide element, for example, on a centrally fixed in the cylinder. ended guide rod.
  • Figure 1 is a valve element in base load operation.
  • Figure 2 is a valve element in the middle load operation.
  • Figure 3 is a valve element in full load operation.
  • Figure 4 shows a further variant of a valve element.
  • cylinder 11 which is open at a raw gas side 11.1 and is closed in the illustrated embodiment at its downstream end.
  • the cylinder 11 has in its cylinder jacket a plurality of axially spaced mouth openings 15, 16, 19, are guided by the respective branch lines to cyclones 21, 22, 23 as Fluidabscheidetechnisch.
  • a piston 12 is secondarily displaced.
  • the piston 12 has a central bore 14, in which a guide rod 17 which is fixedly connected to the cylinder 11, is guided.
  • a compression spring 18 is arranged, which is supported on the bottom 11.2 of the cylinder 11.
  • the piston also has a plurality of axial bores 13 in order to ermögli ⁇ chen provided for the base load operation gas flow.
  • FIG. 4 shows a further variant of a valve element 100.
  • This has a housing 101, in which three cyclones 102, 103, 104 are arranged, and a pressure relief valve 105.
  • the housing has a Rohgasein ⁇ occurs 106, from which a cylindrical portion 107 extends.
  • a piston 108 is arranged longitudinally displaceable.
  • the piston is leads, on a laterally arranged linear guide 109, which is constructed for example in the manner of a dovetail guide.
  • the piston is supported by a spring 110.
  • the piston returns the cyclone inlet channel 111 of the cyclone 104 freely, so that the gas can flow ungereingte a ⁇ in this cyclone and is de-oiled there.
  • the cylindrical Be rich ⁇ 107 is provided with a so-called tulip-shaped section 112 which extends along the reciprocating displacement path. If the piston in the early timely rest position - shown by the dashed line
  • This bulge has the advantage that a targeted leakage current, which is guided past the piston 108, can be adjusted.
  • the piston will move to the left at a higher dynamic pressure and also release the cyclone 103.
  • the pressure relief valve 105 ensures that at an extremely high raw gas pressure, a certain proportion can flow through this pressure relief valve.

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Description

Vorrichtung zur Abscheidung von Fluidpartikeln aus einem aus einem Kurbelgehäuse austretenden Gasstrom
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abscheidung von Fluidpartikeln aus einem aus einem Kurbelgehäuse austretenden Gasstrom mit einem Ventilelement zur volumen- stromabhängigen Aufteilung des Gasstroms auf wenigstens zwei Fluidabscheideeinrichtungen .
Aus der EP 1 090 210 Bl ist ein Verfahren nebst zugehöriger Vorrichtung bekannt, durch welche eine lastabhängige Aufteilung eines Gasstroms, insbesondere von Kurbelgehäu¬ seentlüftungsgasen, bekannt ist. Hierbei sind mehrere Zyklone als Fluidabscheideeinrichtungen vorgesehen, die in verschiedenen Kombinationen parallel oder in Reihe geschaltet sind. Vorgesehen ist, den Fluidstrom in Teilströme aufzuteilen, wobei ein erster Teilstrom einer ersten Fluidabscheideeinrichtung zugeführt wird, welche ständig zugeschaltet ist und einen Grundlastbetrieb si¬ cherstellt. Bei höheren Volumenströmen öffnet ein Rückschlagventil und gibt den Weg zu einer zweiten Fluidab¬ scheideeinrichtung frei. Dieses theoretisch denkbare Grundkonzept ist in der praktischen Umsetzung jedoch schwierig abzustimmen, da z. B. bei der Kurbelgehäuseentlüftung nur geringe Differenzdrücke zwischen den Be- triebszuständen auftreten.
In dem Moment, in dem das Rückschlagventil bei einer Zu¬ satzlast öffnet, wird der Gasstrom schlagartig in zwei Teilgasströme aufgeteilt, wodurch wiederum ein Druckab¬ fall einsetzt, so dass sich das Rückschlagventil umgehend wieder schließt. Das Verhalten der bekannten Vorrichtung ist daher sehr instabil. Hinzu kommt, dass die einzelnen Elemente zur Volumenstromteilung und die Ventilelemente zur Zuschaltung bei einer Spitzenlast über zusätzliche Schlauch- oder Rohrstücke miteinander verbunden werden müssen und entsprechend viel Bauraum beansprucht wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine bekannte Vorrichtung zur Abscheidung von Fluidpartikeln aus einem Gasstrom, der insbesondere aus einem Kurbelgehäuse austritt, so zu verbessern, dass ein stabileres, schwingungsarmes Verhal¬ ten erreicht wird und zudem weniger Bauraum beansprucht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma¬ len des Anspruchs 1 gelöst.
Mit der Kolben-Zylinder-Anordnung, bei der von vornherein eine lose Spielpassung zwischen Kolben und Zylinder vorgesehen ist, wird eine sehr kompakte Bauform erreicht, die zudem in einfacher und kostengünstiger Weise aus Spritzgieß-Kunststoffteilen herstellbar ist. Die bei Spritzgießteilen stets einzukalkulierenden Toleranzen bei der Geometrie werden erfindungsgemäß von vornherein in Kauf genommen und in vorteilhafter Weise mit einbezogen, indem sie der bewussten Herbeiführung von Leckströmungen am Kolben entlang dienen, um im Grundlastbetrieb einen Gasstrom zum abströmseitigen Ende des Ventilelements zu führen und von dort einer Fluidabscheideeinrichtung zuzuleiten. Desweiteren kann die Leckströmung um den Kolben durch einen längs des Kolbenweges zunehmend größer wer¬ denden Ringspalt vergrößert werden. Damit kann bei größer werdendem Volumenstrom der damit verbundene Druckverlust durch den Kolben begrenzt werden.
Die Leckströmungen können weiterhin dadurch beeinflusst werden, dass weitere Bereiche der axialen Querschnitts¬ fläche des Kolbens gasdurchlässig gemacht werden, bei¬ spielsweise durch axiale Bohrungen oder durch Nuten in der zylindrischen Kolbenwandung.
Zur FeinJustierung kann auch vorgesehen sein, einzelne Bohrungen absperrbar zu machen, um so in Abstimmung mit der Federkonstanten das System in seinem Schaltverhalten zu beeinflussen.
Während eines Grundlastbetriebes wird der Kolben der er¬ findungsgemäßen Vorrichtung nicht axial bewegt. Steigt der Volumenstrom der zu entölenden Gase jedoch an, so steigt am Kolben, der ein Strömungshindernis am rohgas- seitigen Ende bildet, der Staudruck an und verschiebt ihn gegen die Federkraft, wodurch die radiale Mündungsöffnung in der Zylinderwand freigegeben wird, sodass Rohgas di¬ rekt dort einströmen kann. Vorteilhaft ist auch, dass die Zuschaltung der zweiten Fluidabscheideeinrichtung nicht schlagartig erfolgt, sondern dass der abgezweigte Volu¬ menstrom kontinuierlich ansteigt, da der Kolben die Mündungsöffnung erst nur einen Spalt breit freigibt und dann mit zunehmender Verschiebung mehr und mehr Öffnungsfläche zur Verfügung steht .
Vorgesehen ist bevorzugt, die zweite Fluidabscheideein- richtung, die bei Verschiebung des Kolbens zugeschaltet wird, im Vergleich zu der ersten Fluidabscheideeinrich- tung leistungsfähiger auszulegen und auch die Querschnitte der Mündungsöffnung mit der sich anschließenden Abzweigleitung bis zur zweiten Fluidabscheideeinrichtung entsprechend groß zu wählen, so dass nahezu der gesamte Volumenstrom des Rohgases in die zweite Fluidabschei¬ deeinrichtung geleitet und dort entölt wird und nur noch eine vernachlässigbare Restströmung das durch den Kolben gebildet Strömungshindernis passiert und in die erste Fluidabscheideeinrichtung gelangt. Das erfindungsgemäße Ventilelement wirkt quasi als Umschalter auf die zweite, leistungsfähigere Abscheidevorrichtung, die insbesondere als an sich bekannter Zyklon zur Ölabscheidung aus Kur- belgehäusentlüftungsgasen ausgebildet ist. Durch die Um- schaltung steht an der Rohgasseite des Kolbens nahezu der gesamte Volumenstrom an, der einen solchen Staudruck bewirkt, dass der Kolben verschoben bleibt, bis sich der Betriebszustand der vorgeschalteten Brennkraftmaschine wieder ändert und sich wieder ein Grundlastbetrieb ein¬ stellt. Dann fährt der Kolben aufgrund der Kraft einer Rückholeinrichtung, insbesondere einer Feder, in seine Ausgangsstellung zurück, wobei nach und nach die zusätzlichen Fluidabscheideeinrichtungen wieder abgeschaltet werden und wieder der Grundlaststrom den Kolben passiert und die erste Fluidabscheideeinrichtung erreicht.
Nach dieser Ausführungsform kann noch vorgesehen sein, eine oder mehrere weitere Fluidabscheideeinrichtungen vorzusehen und diese über zusätzliche Mündungsöffnungen zu versorgen, die stromabwärts in Bezug auf die erste Mündungsöffnung angeordnet ist. Somit wären dann insge- samt drei Betriebszustände zu erreichen:
Im ersten Betriebszustand gelangt ein kleiner Gasstrom an dem Kolben vorbei zur ersten Fluidabscheideeinrich- tung .
In einem zweiten Betriebszustand mit erhöhtem Volumenstrom wird die zweite Fluidabscheideeinrichtung freigegeben .
Treten dann nochmals zusätzliche Spitzenlasten auf, kann auch noch die dritte Fluidabscheideeinrichtung freigegeben werden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Systems liegt insbesondere darin, dass sich die Volumenströme gegenseitig be¬ dingen und nur über ein gemeinsames Schaltelement, den Kolben im Zylinder, aufgeteilt werden. Neben einer bloßen Zuschaltung, die auch nach dem Stand der Technik vorgesehen ist, ist erfindungsgemäß auch eine Umschaltung mög¬ lich, wie oben dargelegt, wenn nämlich der Kolben als Strömungshindernis dient und die Größe der ersten Mün¬ dungsöffnung einschließlich der zweiten Fluidabscheideeinrichtung so ausgelegt werden, dass nach einer Umschaltung kein nennenswerter Gasstrom mehr den Kolben passiert und in die erste Fluidabscheideeinrichtung eingeleitet wird.
Grundsätzlich kann aber auch eine gleichmäßige Aufteilung vorgesehen sein, sodass bei freigegebener zweiter Fluidabscheideeinrichtung die beiden Fluidabscheideeinrich- tungen jeweils einen etwa gleichgroßen Gasstrom zugeführt erhalten .
Der Kolben kann an einem Führungselement axial geführt sein, beispielsweise an einer zentral im Zylinder befes- tigten Führungsstange.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeich¬ nungen näher erläutert. Die Figuren zeigen jeweils in einer schematischen Schnittansicht verschiedene Betriebszu- stände . Es zeigen:
Figur 1 ein Ventilelement im Grundlastbetrieb. Figur 2 ein Ventilelement im mittleren Lastbetrieb.
Figur 3 ein Ventilelement im Volllastbetrieb.
Figur 4 eine weitere Variante eines Ventilelements.
Es besteht im Wesentlichen aus einem Zylinder 11, welcher an einer Rohgasseite 11.1 offen ist und im dargestellten Ausführungsbeispiel an seinem abströmseitigen Ende verschlossen ist. Der Zylinder 11 weist in seinem Zylindermantel mehrere axial beabstandete Mündungsöffnungen 15, 16, 19 auf, von dem jeweils Abzweigleitungen zu Zyklonen 21, 22, 23 als Fluidabscheideeinrichtungen geführt sind.
Innerhalb des Zylinders 11 ist ein Kolben 12 verschiebbar abgeordnet. Der Kolben 12 weist eine zentrale Bohrung 14 auf, in der eine Führungsstange 17, die mit dem Zylinder 11 fest verbunden ist, geführt ist. Am abströmseitigen Ende des Kolbens ist eine Druckfeder 18 angeordnet, die sich am Boden 11.2 des Zylinders 11 abstützt. Der Kolben weist zudem mehrere axiale Bohrungen 13 auf, um den für den Grundlastbetrieb vorgesehenen Gasstrom zu ermögli¬ chen .
Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung sei nachfolgend noch einmal anhand der Figuren 1 bis 3 erläutert: Im Grundlastbetrieb wird die in Fig. 1 dargestellte Posi¬ tion des Kolbens eingenommen. Ein Leckstrom passiert den Kolben im Randbereich wie auch durch die Bohrungen 13, 14 und tritt durch die Mündungsöffnung 19 in einen ersten Zyklon 21 ein.
Steigt am rohgasseitigen Ende 11.1 der Staudruck an der Kolbenstirnfläche, so wird dieser - wie in Fig. 2 darge¬ stellt - gegen die Kraft der Feder 18 ausgelenkt und gibt die Mündungsöffnung 15 frei, wodurch Rohgas in den zweiten Zyklon 22 einströmt. Durch die Dicke der Pfeile sind die Teilstromverhältnisse angedeutet.
Bei nochmaliger Druckerhöhung am rohgasseitigen Ende 11.1 wird der Kolben 12 schließlich soweit verschoben (vgl. Fig. 3), dass auch die zweite Mündungsöffnung 16 freige¬ geben ist und Gas in den dritten Zyklon 3 einströmen kann .
Je nach Auslegung und Abstimmung der Vorrichtung befinden sich nun entweder alle drei Zyklone 21, 22, 23 im Eingriff oder aber der erste Zyklon 21 für den Grundlastbetrieb ist bis auf einen vernachlässigbaren Restgasstrom außer Betrieb, wohingegen die Hauptlast in gleicher Weise auf die Zyklone 22 und 23 verteilt ist.
In Figur 4 ist eine weitere Variante eines Ventilelements 100 dargestellt. Dieses weist ein Gehäuse 101 auf, in dem drei Zyklone 102, 103, 104 angeordnet sind, sowie ein Überdruckventil 105. Das Gehäuse besitzt einen Rohgasein¬ tritt 106, von dem aus sich ein zylindrischer Bereich 107 erstreckt. In dem zylindrischen Bereich ist ein Kolben 108 längs verschieblich angeordnet. Der Kolben wird ge- führt, an einer seitlich angeordneten Linearführung 109, die beispielsweise nach Art einer Schwalbenschwanzführung aufgebaut ist. Linksseitig ist der Kolben durch eine Fe¬ der 110 abgestützt. In der hier gezeigten Stellung gibt der Kolben den Zykloneinlasskanal 111 des Zyklons 104 frei, sodass das ungereingte Gas in diesen Zyklon ein¬ strömen kann und dort entölt wird. Der zylindrische Be¬ reich 107 ist mit einer sogenannten Auftulpung 112 versehen, die sich längs des Kolbenverschiebewegs erstreckt. Sofern sich der Kolben in der vorderen rechtzeitigen Ruhestellung - gezeigt durch die gestrichelte Darstellung
113 - befindet, ist diese Auftulpung und Kolbenumgehung verschlossen. Bewegt sich der Kolben aufgrund des Staudrucks nach links, gibt er einen Bypass gemäß dem Pfeil
114 im Bereich der Auftulpung frei, sodass Rohgas auch zu dem Zyklon 102 strömen kann. Diese Auftulpung hat den Vorteil, dass ein gezielter Leckstrom, der an dem Kolben 108 vorbeigeführt wird, eingestellt werden kann.
Wie bereits in Figur 3 dargestellt, wird sich bei einem höheren Staudruck der Kolben nach links bewegen und auch den Zyklon 103 freigeben. Das Überdruckventil 105 sorgt dafür, dass bei einem extrem hohen Rohgasdruck ein bestimmter Anteil über dieses Überdruckventil abströmen kann .

Claims

Ansprüche :
1. Vorrichtung zur Abscheidung von Fluidpartikeln aus einem aus einem Kurbelgehäuse austretenden Gasstrom, mit einem Ventilelement (10) zur volumenstromabhängi- gen Aufteilung des Gasstroms auf wenigstens zwei Fluidabscheideeinrichtungen (21, 22),
dadurch gekennzeichnet,
- dass das Ventilelement (10) einen Zylinder (11) um- fasst, der von dem Gasstrom durchströmbar ist und abströmseitig mit einer ersten Fluidabscheideein- richtung (21) verbunden ist und dessen Zylindermantel wenigstens eine erste Mündungsöffnung (15) ei¬ ner zu einer zweiten Fluidabscheideeinrichtung (22) führenden Abzweigleitung aufweist,
- dass zwischen dem Zylinder (11) und dem Kolben (12) eine Spielpassung ausgebildet ist und/oder der Kolben mit wenigstens einer axialen Bohrung (13, 14) versehen ist,
- und dass in dem Zylinder (11) ein Kolbenelement
(12) angeordnet ist, das in einem Ausgangszustand die wenigstens eine Mündungsöffnung (15) überdeckt und das infolge des Staudrucks gegen die Kraft ei¬ ner Rückholeinrichtung (18) unter Freigabe der Mündungsöffnung (15) verschiebbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Fluidabscheideeinrichtung (23) vorgesehen ist, die mit einer zweiten Mündungsöffnung (16) im Zylindermantel verbunden ist, welche axial beabstandet zu der ersten Mündungsöffnung (15) ist und im Ausgangszustand von dem Kolbenelement (12) ü- berdeckt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (12) mit einer axia¬ len Bohrung (14) an einem Führungselement (17) geführt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (12) über eine Schiene an dem Zylinder (11) geführt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (11) an seinem ab- strömseitigen Ende (11.2) verschlossen ist und die erste Fluidabscheideeinrichtung mit einer dritten Mündungsöffnung (19) im Zylindermantel verbunden ist, welche durch das Kolbenelement (12) nicht überdeckbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückholeinrichtung eine Fe¬ der (18) ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidabscheideeinrichtungen
(21, 22, 23) als Zyklone ausgebildet sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben und/oder das Gehäuse 101 derart gestaltet ist, dass ein Leckstrom an dem Kolben vorbeiströmen kann.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gehäuse 101 eine Auftulpung 112 für die Vorbeileitung eines Leckstroms vorgesehen ist.
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