ENTWICKLUNG Zylinderkopf

Zylinderkopfhaubenmit integriertem geschalteten Zyklon-Ölnebelabscheider

Polytec Automotive hat ein neues Motorentlüftungssystem für Blow-By-Gaseentwickelt und in Zylinderkopfhauben eingebaut. Es unterscheidet sich in seinenFunktionseigenschaften von allen am Markt befindlichen Systemen. Der neuegeschaltete, patentierte Zyklonabscheider weist eine Kennlinie auf, die im gerin-gen Volumenstrombereich verschärft wurde und im hohen Volumenstrombereichdruckmindernd abgestimmt ist. Durch den neuen Freiheitsgrad ist der geschalte-te Zyklonabscheider in seiner Abscheideleistung und universellen Einsetzbarkeitauf alle Motoren abstimmbar.

Bild 1: Summenverteilung der Öltröpfchen im Blow-by-Gas – die Lage der Summenverteilungist ein wichtiges Auslegungskriterium für das AbscheidesystemFigure 1: Total distribution of oil droplets in blow-by gas – the location of the total distributionis an important design criterion for the separator system

Die Autoren

Hans Janssenist Leiter Vorausentwick-lung bei der Polytec Auto-motive GmbH & Co. KG inLohne.

Stefan Hintzeist GeschäftsführerTechnische Entwicklungbei der Polytec AutomotiveGmbH & Co. KG in Lohne.

1 Einleitung

Im Motorraum werden aus Kosten- und Ge-wichtsgründen zunehmend Bauteile aushochtemperatur-beständigen, thermoplasti-schen Kunststoffen eingesetzt. So ist der An-teil der Zylinderkopfhauben aus dem Werk-stoff Polyamid am Gesamtmarkt der Nocken-wellenabdeckungen von Motoren in den letz-ten Jahren kontinuierlich angestiegen. DieseEntwicklung wird sich aufgrund der wirt-schaftlichen Fertigung im Spritzguss undder Designfreiheit bei Kunststoff sowie derMöglichkeit, Einzelkomponenten zu Bau-gruppen zu verschweißen auch künftig wei-ter fortsetzen. Mit thermoplastischen Kunst-stoffen können hoch komplexe Konstruktio-nen erzeugt werden, die viele Einzelfunktio-nen in einem Gesamtbauteil vereinen.

Eine in Zylinderkopfhauben zunehmendeingebaute Funktionseinheit stellt die Kur-belgehäuseentlüftung dar. Hierzu gehörenim allgemeinen die Grobölabscheidung, dieFeinölabscheidung und die Unterdruckrege-lung des Kurbelgehäuses. Die Trennung derim Blow-by-Gas mitgeführten Öltröpfchenund deren Abscheidung ist von großer Be-deutung für den Ölverbrauch und beein-flusst den Schadstoffaustoß eines Motors.

Üblicherweise unterscheidet man bei derTröpfchengröße zwischen Groböl (> 10 μm),Feinöl (1 bis 10 μm) und Feinstöl (< 1 μm). DieWahl und Dimensionierung des Abscheide-systems wird durch die mengenmäßig auf-tretenden Öltröpfchendurchmesser imBlow-by-Gas bestimmt. In der Praxis stelltsich häufig eine Verteilung der Tröpfchenum zirka 1 μm ein, Bild 1. Die Kenntnis die-ser Öltröpfchenverteilung bildete die Ausle-gungsgrundlage für den entwickelten Ab-scheider.

2 Anforderungen

Üblicherweise gibt der OEM lediglich einezulässige Restölmenge (zum Beispiel 0,5 g/h)an, die den Abscheider stündlich passierendarf. Der Druckverlust im Entlüftungssys-tem darf nicht zu groß werden, um auchnoch bei einem hohen Blow-By-Volumen-strom einen ausreichenden Unterdruck imKurbelgehäuse zu erzeugen.

Es musste also ein Abscheidesystem ent-wickelt werden, das einerseits möglichst fei-ne Tröpfchen abscheiden kann und anderer-seits einen geringen Druckverlust aufweist.Weitere Entwicklungsziele waren die War-tungs- und Verschließfreiheit sowie ein klei-ner Bauraum. Um diese gegensätzlichenFaktoren erfüllen zu können, hat Polytec einneues Abscheidesystem mit geschalteten Zy-klonen entwickelt, Bild 2.

Herkömmliche Zyklonabscheidesystemebestehen in der Regel aus einem oder meh-reren parallel geschalteten Einzelzyklonen.Der Vorteil eines Zyklonabscheiders ist diebekannte gute Abscheidung unter Ausnut-zung der Fliehkraft im Zyklon. Die Öltröpf-chen werden durch die stark rotierendenLuftsäule im Zyklon an die Zyklonwand ge-schleudert und dort abgeschieden. Die Ef-fektivität der Abscheidung ist um so größer;je höher die Rotationsgeschwindigkeit derGassäule im Zyklon ist. Da jedoch nach Ber-noulli der Druckbedarf einer beschleunig-ten Strömung proportional zum Quadratder Geschwindigkeit ansteigt; ist die Grenzeeines derartigen Abscheiders schnell er-reicht.

Mit erhöhtem Volumenstrom steigt derDruckverlust mit einer Kennlinie, die einerParabel ähnelt, an, Bild 3. Die Dimensionie-rung des Zylonabscheiders ist durch denmaximalen Volumenstrom mit dem dazuge-hörigen zulässigen Druckverlust vorgege-ben. Da die Blow-By-Volumenströme bei neu-en und älteren Motoren stark variieren,kann es sein, dass der Arbeitspunkt einesungeschalteten Zyklonabscheiders bei neu-en Motoren im unteren Ende der Kurve (40l/min) liegt.

An der Kennlinie erkennt man, dass derdazugehörige Arbeitsdruck für die Ab-scheidung dann sehr gering ist. Das Gas„säuselt“ durch den für diesen Arbeits-punkt zu groß dimensionierten Zyklonhindurch. Dies führt zu einer nur mäßi-gen Abscheidung in diesem Arbeitspunkt.Hier setzt die Entwicklung des Polytec-Zy-klons an.

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Jorge Soaresist tätig in der Produkt-entwicklung bei derPolytec Automotive GmbH & Co. KG in Lohne.

Werner Karlist Leiter Entwicklung beider Polytec AutomotiveGmbH & Co. KG in Lohne.

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3 Vorteile des Zyklonabscheiders

Der Polytec-Zyklonabscheider zeichnetsich dadurch aus, dass mehrere Zykloneparallel angeordnet sind und bei kleinenVolumenströmen aufgrund der Schaltung

zunächst nur wenige Zyklone offen sind,die dadurch schneller auf Drehzahl kom-men. Da jetzt der Arbeitsbereich früher er-reicht wird, ergibt sich auch bei geringenVolumenströmen eine gute Abscheidung.Bei größeren Volumentrömen werden

nacheinander weitere Zyklonen sukzessivedurch über den Tauchrohren befindlichenVentile zugeschaltet und der Volumen-strom dadurch auf mehrere Zyklone ver-teilt.

Durch diese Schaltung kann die Kennli-nie des Gesamtabscheiders im unteren Volu-menstrombereich angehoben werden. Da-durch lässt sich die Abscheidung gezielt ver-bessern. Gleichzeitig kann im oberen Volu-menstrombereich der Druckanstieg be-grenzt werden, Bild 4. Da sämtliches Blow-By-Gas durch die Zyklone geleitet wird, kannein hoher Abscheidegrad gewährleistet wer-den. Der Volumenstrombereich verbesserterÖlabscheidung ist damit deutlich erweitert.Dieses Ergebnis wurde durch Messungen be-stätigt Bild 5.

4 Auslegung der Zyklongeometrie

Die Zuschaltung von Zyklonen ist ein zu-sätzlicher Freiheitsgrad bei der Auslegungdes Abscheidersystems. Die progressiveDruckkennlinie kann abgeflacht oder sogarin eine degressive Kennlinie verändert wer-den. Sowohl durch Geometrie und Anzahlder Zyklone als auch durch Vorgabe derSchaltpunkte der Zyklonzuschaltung ist dasSystem sehr variabel auf alle Volumenströ-me von Motoren abstimmbar.

Aufgrund der Vielzahl von Einflussmög-lichkeiten ist für die Auslegung von Zyklon-abscheidern bei Polytec ein Berechnungs-programm entwickelt worden, mit wel-chem die volumenstromabhängige Druck-kennlinie und der Fraktionsabscheidegraddes Gesamtabscheiders, abhängig von derGeometrie der Zyklone, im Vorfeld berech-net werden können. Dadurch ist es mög-lich, Abscheider rechnerisch zu optimierenund auf den jeweiligen Volumenstrom ab-zustimmen.

Zur Funktionsabsicherung des Ölnebel-abscheiders ist die genaue Kenntnis der Strö-mungsgeschwindigkeiten und Druckpoten-ziale im gesamten Entlüftungssystem not-wendig. Diese Informationen werden bei Polytec durch Berechnungen mit einemCFD-Strömungssimulationsprogramm über-prüft.

5 Die Erprobung der Zylinderkopfhauben

Bevor die theoretisch ausgelegten Abschei-der in Motoren eingebaut werden können,müssen Prototypen erzeugt und auf spe-ziellen Prüfständen bei Polytec auf ihreFunktion getestet werden. Der Abscheider-prüfstand erlaubt die Messung des Frak-tionsabscheidegrades. Die vom PC ausgege-benen spezifischen Kurven erlauben eine

Bild 3: Fraktions-abscheidegrad undDruck- Volumen-stromkennlinie zweierZykloneFigure 3: Fractionseparation rate andpressure/flow ratecurve for two cyclones

Bild 4: Kennlinie des geschalteten Polytec Zyklonabscheiders (blau) im Vergleich zum ungeschalteten Zyklonabscheider (rot)Figure 4: Curve for switched Polytec cyclone separator (blue) in comparison to unswitched cyclone separator (red)

Bild 2: Die neue Zylinderkopfhaube 2.0 TDI von VW mit integriertem geschalteten Zyklonfeinölabscheider und DruckregelventilFigure 2: The new VW cylinder head cover 2.0 TDI with integrated, switched cyclone-type oil mist separator and pressure control valve

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gute Beurteilung des Abscheidepotenzialsund Druckbedarfs des jeweiligen Abschei-ders. Dieses transportable Messsytem zurÖlabscheidung, Bild 6, wird auch auf denMotorprüfständen der OEM eingesetzt, umeine Analyse von Tröpfchenverteilungenund Fraktionsabscheidegraden durchzu-führen.

Für die Validierung von Zylinderkopfhau-ben gibt es bei Polytec hausinterne Normen,die den jeweiligen Prüfablauf festlegen. DieÖldichtigkeit unter Temperatur und Lastkann zum Beispiel auf einem Shaker, Bild 7,mit Klimaschrank nachgewiesen werden.Mit vorhandenen Frequenz- und Beschleuni-gungsdaten vom Originalmotor könnenhier Lastprogramme gefahren werden, uman mit Öl gefüllten Hauben die Dichtfunk-tion abzusichern.

Die Geräuschoptimierung erfolgt bei Po-lytec im Schallraum mit einer akustischenKamera. Hier können sowohl die absoluteSchallabgabe und Frequenzverteilung alsauch der Ort der Schallabgabe mit dem PCbasierten Messsystem dargestellt und opti-miert werden. Auf speziellen Motorprüfstän-den werden Unterdruck- und Blow-By-Kenn-felder ermittelt und Ölverbräuche von Moto-ren über verschiedene Lastkennfelder gefah-ren. Damit ist eine Validierung unter Realbe-dingungen möglich.

6 Simulationsmöglichkeiten

In der Entwicklungsphase werden bei Poly-tec verschiedene Simulationsprogramme

eingesetzt. Dies sind das FE-Progamm Ansys für Festigkeits- und Eigenfrequenz-untersuchungen, das Programm Moldflowfür die Füllsimulation im Spritzgusspro-zess sowie die Verzugsimulation Warp zurBeurteilung der Verzugsneigung von glas-faserverstärketen Bauteilen. Ein Strö-mungssimulationsprogramm kommtebenfalls zum Einsatz.

Die Simulationsprogramme sind überSchnittstellen mit den drei vorhandenenCAD-Systemen UG, Catia und Pro/E ver-knüpft, so dass die Berechnung parallel zurCAD Entwicklung erfolgen kann. Damit isteine gezielte Teileoptimierung im Entwick-

Bild 5: Fraktionsabscheidedgrade bei zwei Volumenströmen eines ungeschalteten und des Polytec-AbscheidersFigure 5: Fraction separation rates at two flow rates for unswitched and Polytec separators

Bild 6: Ölnebelprüfstand Figure 6: Oil mist test bench

Bild 7: ShakerFigure 7: Shaker

lungsprozess gewährleistet. Durch diese Ar-beitsweise wurden in den vergangenen 15Jahren über 30 Zylinderkopfhauben bei Po-lytec Automotive in Lohne entwickelt undzur Serienreife gebracht. ■

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