Einrichtung zur Rückführung der Abblasemenge aus dem Kurbelgehäuse ins System eines aufgeladenen Verbrennungsmotors

Abstract

 Bei Verbrennungsmotoren (1) ist die Abdichtung des Brennraumes durch Kolben und Kolbenringe nicht absolut. Ueber das ganze Arbeitsspiel treten Gase aus dem Zylinder in das Kurbelgehäuse (1a) ein. Diese Blow-by-Gase müssen aus dem Kurbelgehäuse (1a) entweichen können. Eine Einrichtung zur Rückführung der Blow-by-Gase ins System eines mit einem gasdynamischen Druckwellenlader (10) aufgeladenen Verbrennungsmotors (1) sieht vor, dass eine als Ejektor (20) ausgebildete Gasfördereinheⁱt Unterdruck im Kurbelgehäuse (1a) erzeugt. Der Ejektor (20) wird mit Treibgas (16), das aus der Ladeluftleitung (13) entnommen wird, betrieben, wobei eine in der Treibgasleitung (16) plazierte Regelung (8) dafür sorgt, dass der Unterdruck im Kurbelgehäuse (1a) einen bestimmten Wert nie übersteigt. Die Blow-by-Gase (2) durchströmen einen Oelabscheider (4) und werden danach, vermischt mit dem Treibgas (16), in die Auspuffleitung (15) des Motorsystems rückgeführt.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Rückführung der Abblasemenge aus dem Kurbelgehäuse gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Bei Verbrennungsmotoren ist die Abdichtung des Brennraumes durch Kolben und Kolbenringe nicht absolut. Ueber das ganze Arbeitsspiel treten Gase aus dem Zylinder in das Kurbelgehäuse ein. Diese Gase - im folgenden Blow-by-Gase oder kurz BB-Gase genannt - müssen aus dem Kurbelgehäuse entweichen können, was üblicherweise durch die Anbringung einer Oeffnung am Ventildeckel oder Motorblock geschieht.

[0003] Der Umweltschutz verlangt die Vermeidung eines Oelaustrittes aus dem Motor. Bei Saugmotoren wird der aus dem Kurbelgehäuse abgeblasene Oelnebel (BB-Gase) wieder in die Ansaugung des Motors geleitet, wodurch eine Ver- ölung nach aussen vermieden wird. Bei Benzinmotoren ist diese Vorkehrung indessen in vielen Ländern Vorschrift geworden. Entsprechende Vorschläge zielen darauf hin, diese Technik auch beim Dieselmotor einzuführen. Bei Ottomotoren ist es in einigen Ländern vorgeschrieben, dass im Kurbelgehäuse über den ganzen Last- und Drehzahlbereich Unterdruck vorherrschen muss, damit ein Oelaustritt durch die Dichtungen des Kurbelgehäuses vermieden wird. Prinzipiell soll im Kurbelgehäuse über den ganzen Betriebsbereich nur ein leichter Unterdruck herrschen, denn je grösser der Unterdruck ist, um so mehr Oel wird unzweckmässigerweise mit dem BB-Gas mitabgesaugt. Ueblich ist dabei, die Rückführung der BB-Gase in die Ansaugleitung des Verbrennungsmotors vor den Luftfilter oder über einen Oelabscheider ins Freie zu leiten. Bei der Rückführung der BB-Gase in die Ansaugleitung sehen die einen Motorhersteller in der Ventilschmierung einen Vorteil, andere brauchen die BB-Rückführung für diesen Zweck nicht.

[0004] Der Oelabscheider kann in den Ventildeckel integriert sein oder als Einzelteil eingesetzt werden. Er filtert einen hohen Anteil des im BB-Gas enthaltenen Oels heraus, bevor jenes ins Freie gelangt oder in den Motor rückgeführt, d.h. der Verbrennung zugeführt wird.

[0005] Bei Verwendung der heute auf dem Markt erhältlichen Oelabscheider tritt indessen immer noch eine beträchtliche Oelmenge durch. Die Forderung, Unterdruck im Kurbelgehäuse zu erstellen, hat die Anwendung von Oelabscheidern mit einem besseren BB-Gas-Reinigungsgrad bisher nicht erlaubt: Eine bessere Oelabscheidung verursacht nämlich einen grösseren Druckverlust im Filter, womit der gewünschte Unterdruck im Kurbelgehäuse nicht mehr gewährleistet ist.

[0006] Aus der Druckschrift GB-A-2 006 329 ist es bei einem mit einem Turbolader aufgeladenen Verbrennungsmotor bekannt, unter Zuhilfenahme eines Pumpsystems, das als Ejektor oder Strahlpumpe ausgebildet ist, die BB-Gase aus dem Kurbelgehäuse abzusaugen. Als Treibmittel wird hier vorzugsweise Ladeluft herangezogen. Die aus dem Kurbelgehäuse abzusaugenden BB-Gase durchströmen eine in der Absaugleitung plazierte Regeleinrichtung, welche den im Kurbelgehäuse gewünschten Unterdruck regelt. Die abgesaugten BB-Gase werden dann ins System des Verbrennungsmotors rückgeführt. Durch eine solche Schaltung strebt man mit motorkonnexen Mitteln eine starke Absaugung an.

[0007] Nun setzt das voraus, dass die eingesetzten Treibmittel genügend gespeicherte Energie aufweisen. Bei Vollast ist dies an und für sich der Fall. Nicht der Fall ist es dann, wenn der Motor bei Teillast läuft. In solchen Fällen kann der Ladedruck die Absaugung der BB-Gase aus dem Kurbelgehäuse schwerlich aufrechterhalten, selbst wenn die Regeleinrichtung umgangen wird. Wollte man darüber hinaus nach dem Pumpsystem einen Oelabscheider vorsehen, so liesse sich der angestrebte Unterdruck im Kurbelgehäuse nicht mehr bewerkstelligen.

[0008] Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art, im Kurbelgehäuse über den ganzen Betriebsbereich einen geregelten, begrenzten Unterdruck zu erzeugen, dergestalt, dass die BB-Gase in einem entsprechend ausgelegten und vor der Gasfördereinheit plazierten Oelabscheider genügend gereinigt werden können, bevor sie in das System des Verbrennungsmotors rückgeführt werden.

[0009] Bei dem mit gasdynamischem Druckwellenlader aufgeladenen Verbrennungsmotor wird dies erreicht, indem die Gasfördereinheit mit Treibgas betrieben wird, das luftseitig vor der nach dem gasdynamischen Druckwellenlader plazierten Startventilklappe abgezweigt wird.

[0010] Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass bei druckniederen Zuständen im Verbrennungsmotor die Startventilklappe geschlossen ist, wodurch das davor luftseitig abgezweigte Treibgas aus der Kompression des gasdynamischen Druckwellenladers genügend Energie enthält. Somit ist gewährleistet, dass die Gasfördereinheit, welche vorzugsweise ein Ejektor ist, über den ganzen Betriebsbereich mit genügend grosser Treibgasenergie betrieben wird, um die ihr zugedachte Aufgabe, nämlich über den Oelabscheider Unterdruck im Kurbelgehäuse zu erzeugen, gerecht zu werden. Eine in der Treibgasleitung plazierte Regelung, welche stets mit einem sauberen Medium durchströmt wird, erfüllt die Aufgabe, allgemein, insbesondere aber bei Vollast, den Unterdruck im Kurbelgehäuse auf einem vorgegebenen Wert zu halten, damit Verluste hinsichtlich Ladedrucks und Ladelufttemperatur minimiert werden können.

[0011] Bevorzugte Ausführung der Erfindung hinsichtlich Bauart der Regelung sind Treibgasmengen- und Druckmodulierregelung.

[0012] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Gasfördereinheit ein Venturidiffusor, welcher in der Auspuffleitung plaziert ist. Die Venturidüse kann dabei durch einen vom Fahrtwind angespiesenen Ejektor ergänzt werden, so dass zumindest während der Fahrt die Saugwirkung des Venturidiffusors verstärkt wird.

[0013] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die gereinigten BB-Gase aus dem Kurbelgehäuse in die ND-Auspuffleitung des Verbrennungsmotorsystems rückgeführt. Der Vorteil besteht darin, dass die Temperaturen an dieser Stelle so niedrig sind, dass es hier kaum zu Crackprozessen kommen kann. Durch das Vorhandensein eines Oelabscheiders mit sehr hohem Abscheidegrad kann angenommen werden, dass aus dem Auspuffsystem praktisch ölfreie Abgase entweichen.

[0014] Ferner werden die BB-Gase aus dem Kurbelgehäuse - bei einer weiteren bevorzugten Ausführung - im Leerla,ufbetrieb des Verbrennungsmotors zur Ventilschmierung herangezogen. Ein hier vorgesehenes Rückschlagventil verhindert, dass bei Lastaufnahme des Verbrennungsmotors ein Einströmen der Ladeluft in die Leitung der BB-Gase stattfinden kann.

[0015] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.

[0016] Es zeigt:

Fig. 1 eine Schaltung einer Einrichtung zur Reinigung und Rückführung der BB-Gase ins System eines mit einem gasdynamischen Druckwellenlader aufgeladenen Verbrennungsmotors,

Fig. 2 eine weitere Schaltung mit verschiedenen Rückführungsorten der BB-Gase,

Fig. 3 eine Fördermöglichkeit der BB-Gase mit Treibgasmengenregelung, Druckmodulierregelung und Ejektor,

Fig. 4 einen Ejektor als Gasfördereinheit und

Fig. 5 eine Venturidüse als Gasfördereinheit.

[0017] Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmedien ist mit Pfeilen bezeichnet. In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

[0018] Gemäss Fig. 1 ist der Verbrennungsmotor 1 luftseitig über eine Ladeluftleitung 13 mit einem gasdynamischen Druckwellenlader 10 verbunden. Dieser ist niederdruckseitig mit einer Ansaugleitung 14 für Frischluft versehen. Die Funktionsweise des gasdynamischen Druckwellenladers 10 ist in CH-PS 418 730 erläutert. Die Motorabgase 12 gelangen in den Druckwellenlader 10, aus dem sie nach Abgabe ihrer Energie über eine Auspuffleitung 15 in die Atmosphäre ausgestossen werden. In der Ladeluftleitung 13 ist eine Startventilklappe 19 plaziert. Zwischen Druckwellenlader 10 und Startventilkappe 19 zweigt eine Treibgasleitung 16 ab. Das darin aus der Ladeluftleitung 13 entnommene Treibgas wird zu einer Gasfördereinheit, im vorliegenden Beispiel einem Ejektor 20 geführt und sorgt dafür, dass im Kurbelgehäuse la ein Unterdruck entsteht. Die aus dem Kurbelgehäuse la ausströmenden BB-Gase 2 durchlaufen einen Oelabscheider 4 und gelangen dann als gereinigte BB-Gase 7 über den Ejektor 20 als BB-Gas/Treibgas-Mischung 7a in die Auspuffleitung 15. Das im Oelabscheider 4 ausgeschiedene Oel wird über die Oelrückführung 6 ins Motorsystem 1, la rückgeführt, wodurch der Oelverlust wesentlich reduziert werden kann. Das in der Oelrückführung 6 plazierte Sicherheitsventil 3 sorgt dafür, dass Oel aus dem Verbrennungsmotor 1 -resp. Kurbelgehäuse la nicht in den Oelabscheider 4 zurückströmen kann. Bei druckniederen Zuständen, insbesondere bei Teillast im Verbrennungsmotor 1 wird die Startventilklappe 19 geschlossen, so dass in der Ladeluftleitung 13 davor durch den arbeitenden Druckwellenlader 10 sich rasch ein Druckniveau aufbauen kann. Das hier abgezapfte Treibgas 16 weist eine genügend grosse Energie auf, um auch während der Teillastphasen des Verbrennungsmotors 1 die notwendige Saugwirkung im Ejektor 20 sicher zu stellen. Während dieser Phasen wird die Frischluftzufuhr für den Verbrennungsmotor 1 durch den Startventilbypass 19a aufrechterhalten.

[0019] Der Regler 8 in der Treibgasleitung 16 hat mittels Reglersignals 9 die Aufgabe, die Grösse des Unterdrucks im Kurbelgehäuse la nicht über einen bestimmten Wert anschwellen zu lassen, denn eine grosse Gefahr dieser Schaltung besteht eben darin, dass - insbesondere bei Vollast - zu grosse Oelmengen dem Verbrennungsmotor 1 entzogen werden.

[0020] Fig. 2 ist eine weitere Ausgestaltung der unter Fig. 1 beschriebenen Schaltung. Hier bei Fig. 2 geht es lediglich darum, auf die Schaltungsmöglichkeiten bei der Frischluftansaugung und bei der Rückführung der gereinigten BB-Gase 7 ins System des Verbrennungsmotors 1 hinzuweisen. Des weiteren wird hier auf die Möglichkeit hingewiesen, dass die Gasfördereinheit 5 nicht notwendigerweise ein Ejektor 20 sein muss, sondern ebensogut eine Pumpe sein kann. Die Ansaugluft 14a durchströmt den Luftfilter 18, bevor sie - 14b - im Druckwellenlader 10 durch die Motorabgase 12 zu Ladeluft 13 für den Verbrennungsmotor 1 verdichtet wird. Die gereinigten BB-Gase 7 inkl. Treibgas 16 werden - wie bereits aus Fig. 1 hervorgeht - als Gasmischung 7a in die Auspuffleitung 15 rückgeführt. Je nach Auslegung der Schaltung kann die Gasmischung 7a auch in die Ansaugluftleitung 14a vor Filter 18 mittels Leitung 7a', oder in die Ansaugluftleitung 14b nach Filter 18 mittels Leitung 7a" oder in die Ladeluftleitung 13 mittels Leitung 7a"' rückgeführt werden. Die BB-Gase 2 können im Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors 1 zur Ventilschmierung 17 herangezogen werden, wobei ein Rückschlagventil 3a bei Lastaufnahme des Verbrennungsmotors 1 verhindert, dass Ladeluft 13 in die BB-Gasleitung 2 strömen kann.

[0021] Fig. 3 zeigt den Einsatz des Ejektors 20 mit der dazugehörigen Regelung. Dabei ist zu beachten, dass die hier beschriebene Treibgasmengenregelung 8a nicht auf die Beaufschlagung mit Treibgas aus der Ladeluftleitung 13 des gasdynamischen Druckwellenladers 10 (siehe Fig. 1) beschränkt ist. Gemäss Fig. 3 wird das als Treibgas eingesetzte Arbeitsgas 22 aus einem Druckspeicher 21 entnommen. Motorabgas als Arbeitsgas 22 kann, um Verschmutzung und Verkokung des BB-Oels zu verhindern, in einem Aggregat 23 gekühlt und gereinigt werden. Selbstverständlich kann das Treibgas auch aus den Taschen eines gasdynamischen Druckwellenladers entnommen werden. Die Treibgasmengenregelung 8a hat - wie bereits oben ausgeführt wurde - die Aufgabe, das Arbeitsgas 22 bzw. die Treibgasmenge auf das minimal notwendige Mass zu beschränken.

[0022] Die gereinigten BB-Gase 7 durchströmen den Membranraum 24 und münden dann in den Saugstutzen 20a des Ejektors 20 ein. Im Membranraum 24 herrscht somit Kurbelgehäusedruck. Die Lage der Membrane 25 stellt sich über die Druckdifferenz der beiden Membranseiten ein, wobei die Feder 26 selbsttätig den Grad der Drosselung steuert, die das Arbeitsgas 22 in der Treibgasmengenregelung Ba erfährt. Das Arbeitsgas 22 tritt in die Treibgasmengenregelung 8a durch die Einströmöffnung 27 ein, durchfüllt den Expansionsraum 28 und strömt dann aus der geregelten Austrittsöffnung 29 als Treibgas 16 wieder aus. Je geringer das Arbeitsgas 22 gedrosselt wird, umso höher ist der Druck des modifizierten Arbeitsgases - nun in Konkordanz zu der vorangehenden Beschreibung, Treibgas 16 genannt - und umso grösser wird die durch den Treibmittelstutzen 20b strömende Treibgasmenge 16, was wiederum eine erhöhte Saugleistung des Ejektors 20 bewirkt. Erhöht sich die Saugleistung des Ejektors 20, so steigt der Unterdruck im Kurbelgehäuse la an, wobei dieser durch die Treibgasmengenregelung 8a auf einen vorgegebenen Wert gehalten wird. Die Gasmischung 7a durchströmt den Druckstutzen 20c des Ejektors 20 und wird dann in die Auspuffleitung 15 rückgeführt.

[0023] Die von der Membrane 25 betätigte Nadel 25a kann auch direkt in den Treibmittelstutzen 20b eintauchen und durch ihre Lage die Treibmittelstutzen-Eintrittsfläche oder die Treibdüsenaustrittsfläche, welche den Treibgasdurchsatz bestimmen, variieren. Der Unterdruck im Kurbelgehäuse la kann auch durch eine Druckmodulierregelung 8b begrenzt werden. Wird der im Treibmittelstutzen 20b vordefinierte Unterdruck zu gross, so öffnet das Schnüffelventil 30 und Luft 31 strömt ein, womit das Gleichgewicht erstellt wird.

[0024] Der in Fig. 4 gezeigte Ejektor 20 besteht im wesentlichen aus Saugstutzen 20a, Treibmittelstutzen 20b, Druckstutzen 20c, Treibdüse 20d, Mischrohr 20e und Diffusor 20f. Das Treibgas 16 gelangt über den Treibmittelstutzen 20b in den Ejektor 20 und wird in der Treibdüse 20d beschleunigt. Die gereinigten BB-Gase 7 münden in den Saugstutzen 20a ein. Im Mischrohr 20e kommen Treibgase 16 und BB-Gase 7 miteinander in Berührung, wobei die BB-Gase 7 durch Impulsaustausch beschleunigt werden. Der Diffusor 20f hat die Aufgabe, die Geschwindigkeitsenergie des Gasgemisches 7a in Druckenergie umzuwandeln.

[0025] Der Ejektor 20, dessen Masse mit einer Gesamtlänge von ca. 200 mm und einer Höhe über alles von ca. 50 mm sehr einbaufreundlich sind, kann an beliebiger Stelle eingebaut werden. Er kann frei in Schläuchen hängen oder mittels Klammern oder Schellen am Motor befestigt werden. Die Lage kann somit unter den Gesichtspunkten kurzer Leitungen zur Reduzierung der Kosten und Druckverluste sowie guter Zugänglichkeit bestimmt werden. Die treibgasführende Leitung soll nirgends den minimalen Innendurchmesser von 7 mm unterschreiten, einem Ladedruck von 2 bar und einer Treibgastemperatur von max. 160 °C standhalten. An die restlichen Verbindungen des Ejektors 20 werden keine über den üblichen Automobilstandard hinausgehenden Forderungen gestellt.

[0026] Fig. 5 zeigt als Pumpe eine Venturidüse 34 mit Diffusor 33, die im Auspuffsystem 15 plaziert sind. Die Energie des Niederdruckgases wird dazu verwendet, einen Unterdruck in der Auspuffleitung 15 zu erzeugen und die gereinigten BB-Gase 7 dorthin zu entlüften. Das Kriterium für den Einsatz solcher Vorrichtungen bildet der Abgasgegendruck, welcher überwunden werden muss. Dieser beträgt unmittelbar nach dem gasdynamischen Druckwellenlader (Fig. 1, Pos. 10), je nach Strömungsgeschwindigkeit, ca. 600 - 800 mm WS. Hinzu kommt noch der Druckverlust im Oelabscheider (Fig. 1, Pos. 4), welcher ja in diesem Fall einen besonders hohen Abscheidegrad aufweisen soll. Die Venturidüse 34 wird deshalb mit Vorteil unmittelbar vor dem Auspuffrohrende eingebaut, dort also, wo der Auspuffgegendruck praktisch gleich dem Atmosphärendruck ist. In einem anschliessenden Diffusor 33 wird die Austrittsgeschwindigkeit verlangsamt bzw. Druck zurückgewonnen.

[0027] Der Venturidiffusor 35 kann konstruktiv so gestaltet sein, dass bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten auch der Fahrtwind 32 zur Erzeugung von Unterdruck in der Venturidüse 34 herangezogen wird. Man erhält demnach zusätzlich eine Ejektorwirkung mit Fahrtwind 32 als Treibgas. Hierdurch wird zusätzlich die Niederdruckspülung des gasdynamischen Druckwellenladers (Fig. 1, Pos. 10) verbessert.

[0028] Zusätzlich kann der Diffusor 33 mit einer nicht dargestellten Prallplatte zur Druckrückgewinnung ausgerüstet werden.

Ansprüche

1. Einrichtung zur Rückführung der Abblasemenge aus dem Kurbelgehäuse ins System eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit einer von einem Treibmittel angetriebenen Gasfördereinheit, die unter Zuschaltung einer in der Absaugleitung plazierten Reglereinrichtung Unterdruck im Kurbelgehäuse erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) mit einem gasdynamischen Druckwellenlader (10) aufgeladen ist und dass das Treibmittel für die Gasfördereinheit (5) aus dem Prozess des gasdynamischen Druckwellenladers (10) entnommenes Gas ist, welches mittels eines in der Treibmittelleitung (16) plazierten Reglers (8) so regelbar ist, dass im Kurbelgehäuse (la) im ganzen Betriebsbereich ein Unterdruck von nicht grösser als -50 mbar vorherrscht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibmittelleitung (16) luftseitig nach dem gasdynamischen Druckwellenlader (10) und vor der Startventilklappe (19) abzweigt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibmittelleitung (16) mit einer der Taschen des gasdynamischen Druckwellenladers (10) verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasfördereinheit (5) ein Ejektor (20) ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ejektor (20) aus Kunststoff besteht.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ejektor (20) mit dem Verbrennungsmotorsystem durch Schläuche verbunden ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasfördereinheit (5) ein Oelabscheider (4) vorgeschaltet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad des Unterdrucks im Kurbelgehäuse (la) durch eine Treibgasmengenregelung (8a) erstellbar ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad des Unterdrucks im Kurbelgehäuse (la) durch eine Druckmodulierregelung (8b) erstellbar ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasfördereinheit (5) eine in der Auspuffleitung (15) plazierte Venturidüse (34) ist, welche vom Fahrtwind (32) unterstützt ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gereinigten Gase (7) aus dem Kurbelgehäuse (la) an eine Stelle im gasdynamischen Druckwellenlader (10) mit herrschendem Unterdruck rückführbar sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abblasegase (2) aus dem Kurbelgehäuse (la) im Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors (1) die Ventilschmierung (17) besorgen, wobei ein Rückschlagventil (3a) bei Lastaufnahme des Verbrennungsmotors

(1) das Einströmen von Ladeluft (13) in die Leitung der Abblasegase (2) verhindert.

Zeichnung