Einleitung
Dieser Artikel befasst sich mit dem Blow-by in Motoren, seinen Ursachen und dem Einsatz von Kurbelgehäuseentlüftungssystemen zu seiner Beseitigung. Dabei beschreiben wir die unterschiedlichen Arten von Kurbelgehäuseentlüftungssystemen, die es auf dem Markt gibt und zeigen die Vorteile der einzelnen Typen auf. Die hier besprochenen Motoren werden als Verbrennungsmotoren mit Hubkolbenantrieb (Reciprocating Internal Combustion Engines, RICE) eingestuft und umfassen Konfigurationen mit Fremdzündung oder Kompressionszündung. Dabei werden die stationären Motoren beispielsweise für die Stromerzeugung (z. B. Stand-by, Spitzen-/Spitzenlast, Hauptstrom) und den mechanischen Antrieb eingesetzt. (z. B. Gaskompressoren und Pumpen). Doch nicht nur als stationäre Einheit, sondern auch für den Antrieb von Schiffen, für Bordstromanlagen und andere Transportmöglichkeiten wie Lokomotiven werden Motoren vielfach verwendet.
Was bedeutet Blow-by?
Blow-by entsteht, wenn ein Luft-Kraftstoff-Gemisch und dessen Verbrennungsgase an den Kolbenringen eines Motors vorbeiströmen. Das passiert, weil das Gemisch durch kleine Spalten zwischen den Ringen und Zylinderwänden durchdringen kann, wonach es sich im Kurbelgehäuse des Motors befindet. Dort vermischt es sich mit dem im Kurbelgehäuse befindlichen Schmierölnebel, was man dann zusammengenommen als Blow-by bezeichnet.
Wie entsteht Blow-by?
Die meisten Verbrennungsmotoren verwenden Kolben, Ventile und Wellen, um Energie aus kontrollierten Explosionen in eine mechanische Leistung umzuwandeln. Dabei sind die Kolben das Herz und die Seele eines jeden Motors. Sie bewegen die Gase durch das System und nutzen dafür die Energie, die bei der Verbrennung von Gasgemischen bzw. im Arbeitstakt entsteht. Im Motor sind die Kolben dann mit einer rotierenden Kurbelwelle verbunden, während sie sich in einem feststehenden Hohlzylinder in linearer Richtung bewegen. Die Kurbelwelle nimmt anschließend die lineare Bewegung der Kolben auf und wandelt sie in eine Drehbewegung um, die zum Antrieb von Elektromotoren in Generatoren, Kompressoren und anderen rotierenden Equipment verwendet werden kann. Dieser Bereich des Motors, in dem sich die Kurbelwelle befindet und bewegt, wird Kurbelgehäuse genannt.
Zudem ist es wichtig zu wissen, dass wenn der bereits erwähnte Kolben seine Bewegung vom unteren Ende des Zylinders zum oberen Ende oder vom oberen Ende des Zylinders zum unteren Ende vollendet, man diese Bewegung einen Hub nennt. Wenn ein Motor als Zweitakt- oder Viertaktmotor bezeichnet wird, gibt dies die Anzahl der Takte an, die für die Durchführung eines Verbrennungszyklus erforderlich sind. Wir konzentrieren uns in diesem Artikel auf den Viertakttyp und die vier Takte, die in dieser Reihenfolge auftreten: Ansaugung, Verdichtung, Arbeit und Auslassen. Wenn wir eben diese Takte betrachten, so lässt sich sagen, dass Kurbelgehäuse-Blow-by vor allem während des Kompressions- und des Arbeitstaktes entsteht.
Bezüglich der Menge an Blow-by lässt sich grundsätzlich sagen, dass neue Motoren im Vergleich zu älteren, verschlissenen Motoren geringere Blow-by-Werte aufweisen. Das liegt daran, dass sich während des Betriebs eines Motors die internen Komponenten im Verbrennungsraum abnutzen, wodurch sich die Abstände zwischen den Zylinderwänden und den Kolbenringen vergrößern. Durch diesen Verschleiß kann über die Zeit immer mehr Blow-by an den Kolbenringen vorbei in das Kurbelgehäuse des Motors gelangen. Dabei kann man als Faustregel sagen, dass ein "verschlissener" Motor doppelt so viel Blow-by aufweist wie ein "neuer" Motor.
Welche Schäden entstehen durch übermäßigen Blow-by am Motor?
Motor-Blow-by muss aus dem Kurbelgehäuse entlüftet werden, um eine Vielzahl an möglichen Problemen und Risiken zu vermeiden. Zu den häufigsten Problemen gehören:
● Übermäßiger Kurbelgehäusedruck - Ein erhöhter Druck im Kurbelgehäuse des Motors kann zu Ölleckagen an den Motordichtungen führen, was zu Ölverlusten beiträgt.
● Erhöhter Ölverbrauch - Wenn Blow-by einen hohen Anteil an Ölnebel enthält, der in die Atmosphäre entweicht und nicht zurückgewonnen wird, kann die Effektivität des Motorschmiersystems aufgrund eines übermäßigen Ölverbrauchs abnehmen.
● Verminderte Motorleistung - Wenn der Blow-by durch den Ansaugtrakt des Motors (geschlossenes Kurbelgehäuse) zurückgeführt wird. OÖl und andere Verunreinigungen können die inneren Motorenkomponenten wie Turbolader und Nachkühler überziehen, was die Effizienz und Leistung erheblich beeinträchtigen kann.
Was bedeutet Kurbelgehäuseentlüftung?
Bei der Kurbelgehäuseentlüftung wird das Kurbelgehäuse eines Motors entlüftet, um einen übermäßigen Druckaufbau im Motor zu verhindern. Die Blow-by-Gase sind dabei mit Ölnebel und anderen Verunreinigungen vermischt, die die internen Komponenten eines Motors schädigen und die Umwelt verschmutzen können. Besonders erforderlich ist deshalb die Auswahl eines effizienten Kurbelgehäuseentlüftungsfilter, um die entweichenden Gase zu reinigen, bevor sie in den Ansaugtrakt des Motors zurückgeführt oder in die Umwelt abgeleitet werden.
Welche Arten von Kurbelgehäuseentlüftungssystemen gibt es?
Je nach Installation und Emissionsanforderungen wird Blow-by mit zwei verschiedenen Systemen entlüftet: Die Offene Kurbelgehäuseentlüftung (OKE) und die geschlossene Kurbelgehäuseentlüftung (GKE).
Offene Kurbelgehäuseentlüftungssysteme werden dann eingesetzt, wenn der Blow-by des Kurbelgehäuses in die Atmosphäre entweicht. Ein OKE kann ein einfacher Entlüfter mit niedrigem Wirkungsgrad und geringem Gegendruck sein oder ein hocheffizientes Koaleszenzelement enthalten, welches große Mengen an Ölnebel auffängt. Die effektivsten Systeme integrieren einen hocheffizienten Koaleszenzfilter mit einer Vakuumquelle und einem Mechanismus zur Regulierung des Kurbelgehäusedrucks. Ein Vorteil der offenen Kurbelgehäuseentlüftung besteht darin, dass die Möglichkeit von Verunreinigungen und Ölablagerungen im Turbolader und in den Nachkühlern minimiert wird. Dies ist besonders wichtig bei der Verwendung von Deponiegas, Biogas, Syngas und anderen Anlagen, bei denen die Gasqualität ein Problem darstellen kann (Solberg SME und ACVB).
Geschlossene Kurbelgehäuseentlüftungssysteme werden auf der anderen Seite dann eingesetzt, wenn der Blow-by aus dem Kurbelgehäuse zurück in den Ansaugtrakt des Motors geleitet wird. In den meisten Fällen wird das System dabei vor dem Turbo (Verdichterrad) und hinter dem Motorluftfilter verlegt. Es gibt aber auch Lösungen, die in den Auspuff des Motors geleitet werden. Da die Umweltvorschriften immer strenger werden, werden zunehmend immer öfter geschlossene Kurbelgehäuseentlüftungssysteme (GKE) eingesetzt. Die Entlüftung des Blow-by's durch den Ansaugweg des Motors ermöglicht es den Betreibern aufgrund dessen, die Gesamtemissionen durch den Auspuff des Motors zu überwachen und eine Emissionsquelle zu eliminieren. Geschlossene Kurbelgehäuseentlüftungssysteme eignen sich für viele Anlagentypen, insbesondere dann, wenn das GKE über eine integrierte Druckregeltechnik (Solberg ACV) verfügt.
Beide Arten von Systemen sind in der Lage, den Kurbelgehäusedruck wirksam zu kontrollieren und die Umweltvorschriften zu erfüllen. Weitere Einzelheiten sind der nachstehenden Tabelle 1.1 zu entnehmen.
Welche Vorteile bringen Kurbelgehäuseentlüftungssysteme mit sich?
Ein gut durchdachtes und richtig dimensioniertes Kurbelgehäuseentlüftungssystem trägt wesentlich dazu bei, die Zuverlässigkeit eines Motors zu erhalten und die Wartungskosten im Laufe der Zeit zu senken. Dadurch wird der Ölverbrauch des Motors gesenkt und die Effizienz und Leistung des Motors verbessert. Dies geschieht durch die Regelung des Kurbelgehäusedrucks innerhalb eines bestimmten Bereichs und durch das Auffangen von Öl, das in den Blow-by-Gasen enthalten ist.
Regulierung des Kurbelgehäusedrucks
Der Kurbelgehäusedruck kann über den Ansaugtrakt des Motors als Unterdruckquelle oder über eine externe Unterdruckquelle wie ein Regenerativgebläse geregelt werden. In beiden Fällen muss das Vakuumniveau reguliert werden, um sicherzustellen, dass der Kurbelgehäusedruck innerhalb eines bestimmten Bereichs gehalten wird. Dies wird normalerweise durch manuelle Ventile, automatische Ventile oder Antriebe mit variabler Geschwindigkeit erreicht. Bei GKE-Systemen besteht der Fortschritt darin, automatische Vakuumregelventile zu verwenden, wie sie in den Produktreihen ACV und ACVB von Solberg zu finden sind. Bei OKE-Systemen ist die manuelle Ventilsteuerung am gebräuchlichsten, aber auch andere Technologien wie Rückführungssysteme (SME-R) und automatische mechanische Steuerung (Solberg ACVB) gewinnen in einem breiten Spektrum von Motoranwendungen an Bedeutung. Die Spezifikationen für die Ansaugung oder den Druck im Kurbelgehäuse des Motors liegen normalerweise im Bereich von -7,5 bis +5 mbar bzw. -0,75 bis 0,5 kpa. Die OEM-Spezifikationen für Motoren variieren je nach Marke und Modell, und es empfiehlt sich, das OEM-Betriebshandbuch zu konsultieren, um den idealen Betriebsdruckbereich des Kurbelgehäuses für einen bestimmten Motor zu ermitteln.
Reduktion des Ölverbrauchs
Der Kurbelgehäusefilter reinigt die abgeleiteten Blow-by-Gase, um sicherzustellen, dass sie frei von Verunreinigungen sind, bevor sie in die Umwelt abgeleitet oder in den Ansaugtrakt des Motors zurückgeführt werden. Dabei ist Ölnebel Hauptproblem bei der Entlüftung von Blow-by-Gasen. Die Aufgabe des Filters besteht daher darin, den im Blow-by mitgeführten Ölnebel aufzufangen, zu koaleszieren und in den Motor oder eine Altölwanne zurückzuführen. Durch die Rückführung des Öls in das Kurbelgehäuse des Motors kann der Ölverbrauch durch die Entlüftung des Kurbelgehäuses erheblich reduziert werden.
Verbesserung der Motoreffizienz
Sowohl die geschlossene Kurbelgehäuseentlüftung (GKE) als auch die offene Kurbelgehäuseentlüftung (OKE) entfernen Schadstoffe und Verunreinigungen aus den Kurbelgehäuseemissionen. Deshalb ist die Effizienz des Filters für jede GKE-Anwendung besonders wichtig. Hocheffiziente Koaleszenzfilter sind sehr wirksam bei der Reduzierung von Ablagerungen an Turboladern, Nachkühlern und anderen internen Komponenten. Einige Partikel und Ölnebel gelangen durch die Filter. Mit der Zeit sammeln sich Verunreinigungen an, die möglicherweise die Oberflächen des Turboladers beeinträchtigen und die Betriebseffizienz verringern können. Daher ist es am besten, möglichst effiziente Filter zu wählen, wenn das Blow-by durch den Ansaugtrakt eines Motors zurückgeführt wird.
(Die hocheffiziente Filtration hat in der Regel einen Wirkungsgrad von 99% bis 99,97% bei 0,3µm)
Schutz der umgebenden Umwelt
Kurbelgehäuseentlüftungssysteme mit hocheffizienten Filtern verhindern, dass Ölnebel, Rauch, Gerüche und andere Partikel in die Umgebung gelangen. Wenn offene Kurbelgehäuseentlüftungssysteme unbehandeltes Blow-by in die Atmosphäre ablassen, sammelt sich Ölnebel in Gebäuden und auf umliegenden Geräten, einschließlich des Motors, an. Wenn sich Öl auf Oberflächen ansammelt, wird es zu einer Rutsch- und potenziell auch zu einer Brandgefahr. Ölnebel, der sich in schlecht belüfteten Räumen ansammelt, kann zu Atemproblemen und Augenreizungen beim Personal führen. Darüber hinaus können undichte Motorendichtungen, die durch übermäßigen Kurbelgehäusedruck verursacht werden, zu Rutschgefahren für die Anlagenbetreiber führen.
Einhaltung von Umweltvorschriften
Die Reduzierung oder Beseitigung von Blow-by-Emissionen aus dem Kurbelgehäuse kann von nationalen oder regionalen Behörden (EPA, IMO usw.) gefordert werden. Die spezifischen Anforderungen hängen in der Regel von der Art des Kraftstoffs, der stationären oder maritimen Anlage und dem Betrieb (Dauer- oder Bereitschaftsbetrieb) ab. Auch wenn Ihr Motor keinen spezifischen Vorschriften unterliegt, ist es am besten, Umweltbewusstsein und Sicherheit zu fördern, indem die ölhaltigen Blow-by-Emissionen aufgefangen werden.
Ein komplettes System. Mehr als nur ein "Kurbelgehäusefilter"
Die Anforderungen an die Kurbelgehäuseentlüftung sind je nach Motormodell und Einbauort unterschiedlich. Die Motoren werden von Jahr zu Jahr leistungsfähiger und komplexer. Infolgedessen sind Produkte, die nach dem Motto "eine Größe passt für alle" hergestellt werden, möglicherweise nicht die beste Lösung zur Emissionskontrolle und zur Förderung einer optimalen Motorleistung. Für moderne, hocheffiziente und schadstoffarme Motoren ist in den meisten Fällen eine hocheffiziente Filtration erforderlich, die gleichzeitig einen minimalen Gegendruck im Kurbelgehäuse des Motors erzeugt. Ein zweckmäßiges offenes oder geschlossenes Kurbelgehäuseentlüftungssystem ist erforderlich, um die Emissionsziele und standortspezifischen Anforderungen zu erreichen. Ein komplettes Kurbelgehäusesystem kann eine bestimmte Rohrleitungskonfiguration, eine bestimmte Einbaulage, den Typ und die Lage der Ablassleitung, Altölkonsolen, die Lage des Auspuffs sowie Isoliermäntel für die Filter und Rohrleitungen umfassen.
Fazit
Die Installation des idealen Systems für einen bestimmten Motor, eine Anlage oder ein Schiff trägt dazu bei, die Leistung des Motors, die Sicherheit und die Einhaltung von Umweltvorschriften zu verbessern und gleichzeitig die Zuverlässigkeit zu erhöhen und die Gesamtbetriebskosten zu senken. Wenn Sie Fragen zu Kurbelgehäuseentlüftungssystemen haben, wenden Sie sich bitte an unser Team, wir freuen uns auf Ihre Fragen.
Tabelle 1.1
