Die Entwicklung von Kurbelgehäuseentlüftungen mit höchster Abscheideleistung, genauer Druckregelung und optimaler Standzeit ist unsere Kernkompetenz und eine der zentralen Leistungen von UT99.
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KURBELGEHÄUSEENTLÜFTUNG GRUNDLAGEN
Beim Motorbetrieb entsteht im Kurbelgehäuse Ölnebel, der abgeschieden werden muss, bevor er in die Umwelt oder in den Ansaugtrakt des Motors gelangen kann. Kurbelgehäuseentlüftungssysteme sind ein grundlegender Bestandteil von Verbrennungsmotoren, die dazu dienen, diesen Ölnebel abzuscheiden und in die Ölwanne zurückzuführen. Damit leisten sie einen entscheidenden Beitrag zur Reduzierung des Ölverbrauchs und der Partikelemissionen und tragen so zur Einhaltung der EU-, EPA- (z. B. Tier 4) und IMO-Grenzwerte für PM-Emissionen bei. Außerdem regulieren solche Systeme den Druck im Kurbelgehäuse, um Leckagen zu vermeiden und den Verschleiß von Dichtungen zu verringern. Dies ist insbesondere für toxische Kraftstoffe wie Ammoniak oder Methanol unerlässlich.
KURBELGEHÄUSEENTLÜFTUNG: GESCHLOSSEN (CCV) VS. OFFEN (OCV)
Geschlossene Kurbelgehäuseentlüftungen (CCV), bei denen die Kurbelgehäusegase in den Ansaugtrakt zurückgeführt werden, finden gegenüber offenen Systemen (OCV) immer häufiger Anwendung. Dies gilt insbesondere für Motoren, die mit gasförmigen Kraftstoffen betrieben werden, da sie nicht nur Schadstoffemissionen weiter reduzieren, sondern auch die Energieeffizienz durch Rückführung von unverbranntem Kraftstoff in den Brennraum erhöhen. Solche Systeme erfordern sehr hohe Abscheidegrade > 99,5 % (massenbezogen), um Verschmutzungen im Ansaugtrakt zu vermeiden und einen zuverlässigen Betrieb des Turboladers zu gewährleisten.
AEROSOLQUELLEN
Aerosole bestehen immer aus einer kontinuierlichen Gasphase und einer dispersen Phase (Partikeln) aus Flüssigkeit und/oder Feststoff. Gasströme gelangen in das Kurbelgehäuse vorbei an Kolbenringen, Turboladerwellen und Ventilschäften. Diese Gasströme werden auch als Blow-By bezeichnet und bestehen aus einer Mischung aus Ansaugluft, Abgasen und Kraftstoff, der im Kurbelgehäuse mit Motoröldampf gesättigt wird. Partikeln werden dort entweder durch thermische Prozesse (Kondensation) oder mechanische Vorgänge (z.B. Zerstäubung) gebildet. Sie bestehen fast ausschliesslich aus Motoröl. Zusätzlich können Russ, Asche und Kraftstofftropfen in das Kurbelgehäuse gelangen. Öldampf entstehe an Hot-Spots, z.B. an Kolben oder an Lagern. Der gebildete Öldampf kondensiert in kälteren Bereichen im Kurbelgehäuse unter Bildung neuer Tropfen, dem Wachstum bestehender Tropfen oder der Benetzung von Makroskopischen Oberflächen (z.B. Wänden) aus. Mechanisch können Partikel an Kolbenringen, Kühldüsen und an bewegten Motorkomponenten (z.B. Wellen) entstehen. Aufgrund vieler unterschiedlicher Aerosolquellen und der zwei sehr unterschiedlichen Entstehungsmechanismen (thermisch vs. mechanisch) liegt im Kurbelgehäuse von Verbrennungsmotoren ein sehr breitverteiltes Aerosol vor, dass sich von wenigen 10 nm Durchmessern bis weit über 100 µm erstreckt
ANFORDERUNGEN
Die Kurbelgehäuseentlüftung muss zwei Hauptaufgaben erfüllen:
1. Blow-By Aerosole abscheiden:
- Ideal: Gesamtabscheidegrad (Masse) > 99.5%
2. Druck im Kurbelgehäuse regeln:
- Ideal für viele Anwendungen: Vakuum von ca. -2.5 mbar
Zusätzlich können Sensoren in der Entlüftung integriert werden, um wertvolle Informationen über den Betriebszustand des Motors und des Kurbelgehäuseentlüftungssystems zu erhalten. Besonders geeignet sind Sensoren für den Blow-By-Volumenstrom und den Differenzdruck über den Filter.
Weitere wichtige Anforderungen an die Komponenten der Kurbelgehäuseentlüftung sind:
- Kompakte Abmessungen
- Chemische Beständigkeit (insbesondere bei alternativen Kraftstoffen wie Ammoniak)
- Temperaturbeständigkeit
- Vibrationsbeständigkeit
- Hohe Dichtigkeit
- Langlebigkeit (Filterwechselintervall > 4000 h)
- ATEX für bestimmte Anwendungen
KURBELGEHÄUSEENTLÜFTUNG FÜR H2 MOTOREN
Motoren, die mit Wasserstoff betrieben werden, können im Kurbelgehäuse eine Atmosphäre erzeugen, die die untere Explosionsgrenze von 4 Vol.-% H2 überschreitet. Daher sind Anpassungen am Kurbelgehäuseentlüftungssystem empfehlenswert. Ein aktives Belüftungssystem mit einem Gebläse kann das Kurbelgehäuse mit gefilterter Luft spülen. Darüber hinaus reduzieren ATEX-konforme Komponenten das Explosionsrisiko weiter. Eine zusätzliche Herausforderung besteht darin, dass die Verbrennung von Wasserstoff große Mengen Wasser erzeugt, das durch Temperaturmanagement in der Gasphase gehalten werden muss. Andernfalls kann die Ölqualität beeinträchtigt werden und es könnten sich Emulsionen bilden, die den Filter blockieren.
KURBELGEHÄUSEENTLÜFTUNG FÜR AMMONIAK UND METHANOL MOTOREN
Motoren, die mit Ammoniak oder Methanol betrieben werden, können im Kurbelgehäuse eine hochtoxische Atmosphäre erzeugen. Daher ist eine Anpassung des Kurbelgehäuseentlüftungssystems empfehlenswert. Ein aktives Belüftungssystem mit Gebläse sorgt bei allen Betriebszuständen für einen Unterdruck im Kurbelgehäuse und verhindert so effektiv das Austreten giftiger Gase. Da Ammoniak korrosiv wirken kann, ist es unter Umständen notwendig, die Kurbelgehäusegase vor dem Katalysator in den Abgasstrang zu leiten, wobei hohe Druckdifferenzen zu überwinden sind. Je nach Motorkonzept können explosive Gemische im Kurbelgehäuse entstehen. Deren Konzentration kann durch Verdünnung mit konditionierter Luft minimiert werden. ATEX-konforme Komponenten tragen zusätzlich zur Reduzierung des Explosionsrisikos bei. Eine weitere Herausforderung ist die Verbrennung von Ammoniak und Methanol, die große Mengen Wasser erzeugt, das durch Temperaturmanagement in der Gasphase gehalten werden muss. Methanol kann bei niedrigen Temperaturen in der Kurbelgehäuseentlüftung auskondensieren. Eine Anreicherung von Kondensat im Öl muss vermieden werden, um eine Verschlechterung der Ölqualität und die Bildung von Emulsionen zu verhindern, die den Ölnebelabscheider blockieren könnten.
METHANSCHLUPF
Das Treibhauspotenzial von Methan ist über einen Zeitraum von 100 Jahren etwa 28- mal höher als das von CO₂. Daher ist es entscheidend, die Methanemissionen bei Verbrennungsmotoren auf ein Minimum zu reduzieren. Der Anteil der offenen Kurbelgehäuseentlüftung an diesen Emissionen variiert je nach Motor und Betriebspunkt zwischen 20 % und 40 %. Die effektivste Maßnahme zur Reduzierung dieses Beitrags ist die Verwendung eines geschlossenen Entlüftungssystems. Solch ein System leitet unverbranntes Methan zurück in den Ansaugtrakt, wo es für die Verbrennung zur Verfügung steht. Zusätzlich kann unverbranntes Methan in der Abgasnachbehandlung vollständig zersetzt werden.
Wussten Sie bereits:
- Motoren ohne Ölnebelfilter haben einen hohen Ölverbrauch.
- Viele gesetzliche Grenzwerte gelten für die Gesamtheit aus Kurbelgehäuseemissionen und Auspuffemissionen.
- Die Kernaufgaben von Kurbelgehäuseentlüftungssystemen sind Partikelabscheidung und Druckregelung im Kurbelgehäuse.
- Der ideale Druckbereich im Kurbelgehäuse hängt von der Anwendung ab.