Ölabscheidesystem für Hochleistungsmotoren / 21.12.2017

Damit das Öl im Motor bleibt

Sichtkontrolle bei der Produktion von Leichtbau-Motorkomponenten aus Kunststoff. © ElringKlinger

Bei Benzin- und Dieselmotoren strömt bei jeder Zündung des Treibstoff-Luft-Gemischs ein kleiner Anteil der Gase als Leckagestrom aus dem Verbrennungsraum in das Kurbelgehäuse. Damit die Motoren optimal funktionieren, ist es erforderlich, diese sogenannten Blow-by-Gase mit neuen, hochwirksamen Systemen abzuführen und darin enthaltene Motoröltröpfchen abzutrennen.

Schematische Darstellung der Funktionsweise eines Nassabscheiders © Universität Stuttgart, IMVT

Dadurch sinken Schadstoffemissionen sowie Ölverbrauch des Motors. Für moderne, höher verdichtende Motoren entwickelten Forscher neue, effektive Abscheidesysteme, mit denen die strengeren Emissionsgrenzwerte für Ölnebel unterschritten werden.

 

Downsizing ist die aktuelle Vorgabe für moderne Verbrennungsmotoren: kleinere, höher verdichtende Motoren holen aus weniger Hubraum hohe Leistungen heraus. In der Folge sind deutlich kleinere Ölpartikel aus dem Blow-by-Gas der Kurbelgehäuseentlüftung abzuscheiden. Im Fahrzeug können für die Kurbelgehäuseentlüftung je nach verfügbarem Bauraum passive Abscheidesysteme wie einfache Prallabscheider auch in Kombination mit bspw. Vliesstoffen für die Oberflächenvergrößerung der Prallwände oder Zyklone zum Einsatz kommen. Auch aktiv angetriebene Abscheider wie Tellerseparatoren werden schon im Nutzfahrzeugbereich eingesetzt. Die Herausforderung für die Entwickler bestand darin, speziell auch bei sehr feinen Öltropfen Abscheidesysteme mit einer besseren Abscheideleistung als die der einfach aufgebauten passiven Systeme zu konzipieren. Außerdem soll das neue System kostengünstig herstellbar sein und möglichst wenig Energie für den Antrieb brauchen.

 

Die Behandlung der Blow-by-Gase verhindert weitgehend, dass mit ihnen Öltropfen in den Ansaugtrakt kommen. Diese würden Motor-Komponenten wie Ladeluftkühler und Ventile verschmutzen und die Funktion von Abgaskatalysatoren beeinträchtigen. Öltropfen, die sich an den Schaufeln des Turboladers absetzen, verschlechtern seinen Wirkungsgrad. Damit sinkt die Leistungsdichte des Verbrennungsmotors, die Effizienz sinkt, der Kraftstoffbedarf steigt.

Hochleistungsmotoren benötigen effizientere Abscheidesysteme

Strömungsverlauf von Roh- und Reingas in einer Zentrifuge mit hydraulischem Antrieb © ElringKlinger

Bei hoch aufgeladenen Turbomotoren entstehen unter anderem durch die hohen Mitteldrücke bei der Verbrennung sehr feine Tropfen. Hier kommen die heute eingesetzten, oft in Zylinderkopfhauben integrierten passiven Ölnebelabscheidesysteme wie sogenannte Im-paktor-Vlies-Abscheider an ihre Grenzen. Deshalb müssen für die modernen, hoch aufgeladenen Motoren neue aktive Abscheidekonzepte entwickelt werden. Die verfügbaren aktiven Systeme wie Tellerseparatoren, mit denen selbst Öltropfen kleiner 0,5 µm mit hoher Effizienz abgeschieden werden, sind bisher aufgrund ihres Platzbedarfs auf eine Anwendung im Nutzfahrzeugbereich beschränkt.

 

Zu diesem Zweck entwickelten Forscher des Komponentenherstellers ElringKlinger und des Instituts für Mechanische Verfahrenstechnik (IMVT) der Universität Stuttgart zwei physikalisch unterschiedliche, aktive Abscheidekonzepte: eine Zentrifuge sowie einen Nassabscheider. Diese sind effizienter als bestehende Systeme und beanspruchen weniger Platz. Sie sollen künftig für unterschiedlichste Anwendungsfälle nutzbar sein. Während die Zentrifuge durch hohe Drehzahlen, die entweder durch einen hydraulischen Antrieb oder mit einem Elektromotor erzeugt werden können, zuverlässig Feinsttropfen mit einem Tropfendurchmesser d50 < 0,5 μm abscheidet, dient der Nasswäscher für Anwendungen, bei denen nur ein geringer Druckverlust bei gleichzeitig beschränktem Bauraum erzeugt werden darf. Beide Konzepte versprechen hohe Abscheideleistungen und damit eine signifikante Reduktion des Öltropfeneintrags in den Ansaugtrakt von Otto- oder Dieselmotoren.

Systeme senken Ölverbrauch und steigern Effizienz

Vergleich der Trenngrade eines Wäschers und eines Standard Impaktor-Vlies-Abscheiders, gemessen an einem 4-Zylinder Dieselmotor. © ElringKlinger

Speziell im PKW-Bereich können leistungsfähige Ölnebel-Abscheidesysteme auch die Gesamteffizienz des Motors steigern. Sie reduzieren den Kraftstoffbedarf und die Gesamtemissionen. Auch bei Stationärmotoren in Blockheizkraftwerken können bessere Ölnebelabscheider dazu beitragen, den Wirkungsgrad zu steigern.

 

Bei ElringKlinger wurden die unterschiedlichen Konzepte inzwischen zur Serienreife fertig entwickelt. Die beiden Trennapparate Scheibenzentrifuge und Nasswäscher wurden für den Serieneinsatz in PKW und NFZ von unterschiedlichen OEM angefragt. Aktuell befindet sich ElringKlinger bei einem deutschen PKW-Hersteller mit der Scheibenzentrifuge in der Serienerprobung.

Abscheidesysteme auch für die Industrie

Vergleich: Abscheideleistung einer Scheibenzentrifuge und Standard Impaktor-Vlies-Abscheider, Ölaustrag gemessen an einem 4-Zylinder Dieselmotor. © ElringKlinger

Die entwickelten aktiven Abscheidesysteme zur Entfernung von feinen Partikeln oder Tropfen eignen sich über den Einsatz in Kraftfahrzeugen hinaus auch für weitere Anwendungsgebiete. Sie lassen sich beispielsweise bei Stationärmotoren in Blockheizkraftwerken oder zur Abtrennung von Ölaerosolen aus industriellen Produktionsprozessen sowie Druckluftanlagen einsetzen. Bei der spanenden Werkstoffbearbeitung geht es beispielsweise darum, Kühlschmierstoffaerosole abzuscheiden.

 

Das Abscheidekonzept der neuartigen Scheibenzentrifuge kann auch für die Auftrennung von Suspensionen und Emulsionen sowie zur Abtrennung von Feststoffen aus Gasen genutzt werden. Es bietet somit Potenzial dafür, vielfältige Aufgaben und Problemstellungen in der mechanischen Trenntechnik zu bewältigen.
Neben der Wiederverwendung von Kühl- und Schmierstoffen bewirkt ein effizienteres Abscheidesystem, dass die Belastung der Luft durch feine Partikel und Aerosole in den Werkshallen reduziert wird, dadurch verbessern sich die Arbeitsbedingungen
für die Mitarbeiter.

Blow-by-Gase im Kurbelgehäuse

Wenn beim Verbrennungsmotor das Gas-Treibstoff-Gemisch zündet, drücken die expandierenden Verbrennungsgase den Kolben im Zylinder nach unten. Dabei gelangt ein Teil des sogenannten Blow-by-Gases an den Kolbenringen vorbei in das Kurbelgehäuse. Um hier einen unzulässig hohen Druck zu verhindern, wird es in den Ansaugtrakt geleitet. Das Gas ist mit sehr feinen Öltropfen beladen, die deutlich kleiner als 1 μm sind (massenmittlerer Durchmesser 0,8 < d50,3 (μm) < 1,1). Außerdem enthält es Ruß, Wasser und unverbrannten Kraftstoff. Die Ölbestandteile müssen aus der Strömung separiert werden, da sie sich sonst im Ansaugtrakt ablagern und die Funktion von Turboladern, Ladeluftkühlung oder Einlassventilen beeinträchtigen. Für diese anspruchsvolle Trennaufgabe, Öltropfen bei begrenztem Druckverlust sowohl im Volllast- als auch im Leerlaufbetrieb zuverlässig abzuscheiden, werden derzeit hauptsächlich Trägheitsabscheider wie Zyklone oder Prallabscheider (Impaktoren) eingesetzt.

Mehr zum Projekt

AKTIV: Entwicklung von hocheffizienten Abscheidesystemen für die Kurbelgehäuseentlüftung von Stationärmotoren mit Übertragungspotential auf Anwendungen im Automotivbereich - experimentelle Umsetzung und betriebliche Optimierung

Förderkennzeichen:
03ET1103A,B

Laufzeit:
09/2014 – 11/2016

Projektbeteiligte

Betriebliche Optimierung Abscheidesystem | Herstellung und Test der Abscheidesysteme
ElringKlinger AG

Entwicklung Abscheidesystem | Modellierung und Computersimulation des Abscheidemechanismus
Universität Stuttgart – Institut für Mechanische Verfahrenstechnik (IMVT)

Service

BINE Projektinfo 16/2017
(PDF, 4 Seiten, 259 kB)

Links

Kunststoffmodule und Ölnebelabscheidung
Info-Broschüre der ElringKlinger AG

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.