extra

INDUSTRIE- UND GROSSMOTOREN

Zukunftssichere
Kurbelgehäuseentlüftung

INDUSTRIAL

Emis sionen© UT99

Zukunftssichere
Kurbelgehäuseentlüftung
Alternative Kraftstoffe bieten ein hohes Dekarbonisierungspotenzial, während steigende Leistungs­
dichten und höhere Öltemperaturen die Motoreffizienz verbessern. Diese Trends haben jedoch
massive Auswirkungen auf Kurbelgehäuseentlüftungssysteme, die höheren Aerosolkonzentrationen
sowie toxischen und potenziell explosiven Gasen ausgesetzt werden. UT99 ertüchtigt deshalb seineKurbelgehäuseentlüftungssysteme hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Flexibilität.

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V E R FA SS T V ON
g Kurbelgehäuseentlüftungssysteme

Dipl.-Ing. Niclas Nowak
ist Leiter Forschung & Technologie
bei der UT99 AG in Andelfingen(Schweiz).

Dipl.-Ing. Nicolai Roller
ist Leiter Entwicklung & Technik
bei der UT99 AG in Andelfingen(Schweiz).

Dipl.-Ing. Christian Stieler
ist tätig in der Kundenentwicklung
Kurbelgehäuseentlüftung bei derUT99 AG in Andelfingen (Schweiz).

BILD 1 Schema einer geschlossenen Kurbelgehäuseentlüftung (© UT99)haben die Aufgabe, Öl aus dem Aerosolstrom abzutrennen und in die Ölwannezurückzuführen. Damit leisten sie einen
entscheidenden Beitrag zur Reduzierungdes Ölverbrauchs und der Partikelemissionen (Particulate Matter, PM). Außerdem
regulieren solche Systeme den Druck im
Kurbelgehäuse, um Leckagen zu vermeiden und den Verschleiß von Dichtungenzu verringern. BILD 1 zeigt das Schemaeines geschlossenen Kurbelgehäuseentlüftungssystems (Closed Crankcase Ventilation, CCV), das im Wesentlichen auseinem Ölnebelfilter und einem Druckregler besteht.
In den letzten Jahren hat die verbesserte Filtrationseffizienz dazu geführt,dass CCV-Systeme im Vergleich zu offenen Systemen bevorzugt werden [1]. Dies
gilt insbesondere bei Motoren mit gasförmigen Kraftstoffen, da sie dort nicht nur
eine weitere Verringerung der Schadstoffemissionen ermöglichen, sondern durch
Rückführung von unverbranntem Kraftstoff in den Brennraum auch die Ener­
gieeffizienz erhöhen. Solche Systeme er­­
fordern sehr hohe Abscheidegrade von> 99,5 Gew.-%, um Verschmutzungen
im Ansaugtrakt zu vermeiden und einenzuverlässigen Betrieb des Turboladers
zu gewährleisten.
Aus der Literatur [2] ist bekannt, dassbei Motoren die Öltemperatur, der effektive Mitteldruck und die Leistungsdichte
generell ansteigen. Diese Trends führen
zu einer Zunahme der Aerosolkonzentration im Kurbelgehäuse und zu einer Veränderung der Partikelgrößenverteilung
in Richtung der besonders schwer abzuscheidenden Partikel (Most Penetrating
Particle Size, MPPS) [3, 4]. MPPS sindtypischerweise 0,2 bis 0,5 µm klein; diesePartikelgröße wird von einem Aerosolfilter am wenigsten effizient abgeschieden.
Um dieser Entwicklung entgegenzuwirken, werden Kurbelgehäuseentlüftungssysteme weiter optimiert. Darüber hinaus
spielen sie eine immer wichtigere Rollebei der Einhaltung der EU-, EPA- und
IMO-Grenzwerte für PM-Emissionen.
ALTERNATIVE KRAFTSTOFFE

Die Art des Kraftstoffs hat einen direkten
Einfluss auf die Zusammensetzung desAerosols im Kurbelgehäuse. Es ist zwar
nicht möglich, die Partikelkonzentration
und -größe für verschiedene Kraftstoffe
zu prognostizieren, da diese in hohem3INDUSTRIAL

Emis sionen

BILD 2 Ölnebelabscheider von UT99 in einem Motor,
der mit 100 % Wasserstoff betrieben wird (© 2G Energy)

Maße von der Motorkonstruktion undden Öleigenschaften abhängen, aber
Veränderungen in der Gasphasenzu­­
sammensetzung sind vorhersehbar.
Die Hauptquellen für Kurbelgehäusegase sind die Gase, die an den Kolbenringen und dem Lager des Turboladersvorbeiströmen. Diese Blow-by-Gase enthalten Anteile von Kraftstoff, Frischluft,Öldampf und Verbrennungsprodukten.
Motoren, die mit Methanol und Am­­
moniak betrieben werden, erzeugen imKurbelgehäuse Aerosole mit hoher Toxizität. Um zu verhindern, dass diese Gaseohne katalytische Behandlung in die
Umwelt gelangen, sind CCV-Systeme
unerlässlich. Sie sollten eine zuverlässige
und präzise Regelung des Kurbelgehäusedrucks gewährleisten, indem sie den
Druck typischerweise bei -1 bis -5 mbar
unter dem atmosphärischen Niveau halten. In einigen Fällen kann dazu ein
Zusatzgebläse erforderlich sein, insbesondere, wenn die Kurbelgehäusegase
in den Abgasstrang und nicht in den
Ansaugtrakt zurückgeführt werden sollen, da hier der Abgasgegendruck überwunden werden muss. Durch dieses
Vorgehen wird Korrosion im Ansaugtrakt vermieden, die besonders bei
Ammoniak auftreten kann.
Bei wasserstoffbetriebenen Motoren
ist es möglich, dass die untere Explosionsgrenze von 4 Vol.-% H2 überschritten wird. Daher kann ein Belüftungssystem mit einem Gebläse erforderlich sein,
um das Kurbelgehäuse mit gefilterter
Luft zu spülen. Zusätzlich verringern
ATEX(Atmosphères Explosibles)-konforme Komponenten das Explosionsri-4siko weiter. Eine weitere Herausforderung ergibt sich aus der Verbrennung
von Wasserstoff, bei der große Mengenan Wasser entstehen, das beispielswei­­se durch Isolierungen in der Gasphasegehalten werden muss. Andernfalls
würde sich die Ölqualität verschlechtern
und es könnten sich Emulsionen bilden,
die den Filter blockieren. BILD 2 zeigt
einen mit 100 % Wasserstoff betriebenen Motor der mit einem isolierten
UT99-Filter ausgestattet ist.
KURBELGEHÄUSE­­ENTLÜFTUNGSSYSTEMEDie Kompatibilität von UT99-Filtersystemen mit alternativen Kraftstoffen wird
durch geeignete Materialien wie Glasfa-BILD 3 UPF-SauKuL-Konfigurationsbeispiele (© UT99)

sern, Edelstahl, Aluminium und PA66GF50 sichergestellt. Ein zuverlässiger
Betrieb wird durch ein Hochleistungs-Filtermedium gewährleistet, das sich durcheinen stabilen Druckabfall < 20 mbar
und einen Abscheidegrad > 99,5 % auszeichnet, was einer Restaerosolkonzen­
tration von typischerweise < 5 mg/m3
entspricht. Durch Änderung der Medienzusammensetzung sind andere Eigenschaften applizierbar, um Druckverluste< 10 mbar und/oder Reingasaerosolkonzentrationen < 1 mg/m3 zu ermöglichen.
Bei der Entwicklung der Filterserie
UPF-SauKuL (Under-Pressure-Filter-­
Saubere-Kurbelgehäuse-Lösung) stand
Modularität im Vordergrund, um einemaximale Flexibilität zu ermöglichen,
BILD 3. So sind die Filter verschieden platzierbar, um den Platzbedarf zu mi­­ni­mie­
ren und eine optimale Leistung sowie
niedrige Kosten für Motorreihen mit
unterschiedlichen Zylinder-/Leistungskonfigurationen zu gewährleisten. Außerdem kann das System mit einem Zusatzgebläse oder einem elektronischen Druckregler (Electronic Pressure Regulator,EPR) ausgestattet werden, der den Kur­
belgehäusedruck regelt und ein Spülluftsystem ermöglicht. Zusätzlich können
Druck­­sensoren und ein Blow-by-Durchflussmesser installiert werden. Diese
Optionen generieren Daten und unter­
stützen smarte Funktionen wie Überwachung, Diagnose und vorausschauende
Wartung. Auf diese Weise sind nicht nur
Informationen über den Zustand des Kurbelgehäuseentlüftungssystems verfügbar,
sondern auch über den Motorverschleiß,www.ut99.com

der durch die Analyse der Blow-by-Durch­­flussmenge ermittelt werden kann.
Zusammenfassend lassen sich die
Vorteile der UT99-Kurbelgehäuseentlüftungssysteme wie folgt beschreiben:– geeignet für alternative Kraftstoffein einem breiten Anwendungsbereich
von 250 bis 46.000 kW– hohe Filtrationsleistung mit einem
Gesamtabscheidegrad > 99,5 %,Druckabfall < 20 mbar und bis zu
32.000 h wartungsfreiem Betrieb– präzise Kurbelgehäusedruckregelung
innerhalb ±1 mbar vom Sollwert
durch ein Gebläse oder einen elektronischen Druckregler– zusätzliche Vorteile durch digitaleStatusberichte des Kurbelgehäuse­entlüftungssystems und Blow-byDurchflussdaten.

EPR-CCV
ELEKTRONISCHERDRUCKREGLER
FÜR GESCHLOSSENE
KURBELGEHÄUSEENTLÜFTUNG

WELTPREMIEREFILTRATION VON AEROSOL

Detaillierte Kenntnisse über die Eigenschaften des Kurbelgehäuse-Aerosols
sind die Grundlage für die Entwicklungeines Aerosolfilters. Öltropfen im Blowby-Strom haben bekanntlich eine sehr
breite Grössenverteilung, die von einigen zehn Nanometern bis zu Hunderten Mikrometern reicht [5]. Die typischeGesamtkonzentration im Kurbelgehäuse
liegt bei etwa 1000 mg/m3. In der Praxis
wurden jedoch Konzentrationen zwischen 300 und mehr als 2000 mg/m3
beobachtet. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, Aerosoldaten aus der tatsächlichen Anwendung heranzuziehen,um die Filtereigenschaften optimal
anzupassen.
UT99-Filter werden auf Prüfständen
unter variablen Aerosoleigenschaften
entwickelt, um eine belastbare Aussage
über die Filtrationseigenschaften zu
ermöglichen. BILD 4 beschreibt die Leistung eines Filters der Baureihe UPF-SauKuL, der bei 80 °C, 500 l/min und einer
Rohaerosolkonzentration von 900 mg/m3
betrieben wird. Die Ergebnisse zeigen,dass die Aerosolkonzentration im Reingas stets < 1 mg/m3 und der Druck­
abfall < 14 mbar beträgt. Nach etwa
50 h Aerosolbelastung wird ein „Steadystate“ erreicht. Das bedeutet, dass keinzusätzliches Öl im Filter angesammelt
wird. In der Praxis ist es ein pseudo­stabiler Zustand, da Asche, Ruß undzähflüssige organische Bestandteile diePermeabili­­tät des Filters verringern.
Diese Prozesse müssen berücksichtigt

Vorteile durch optimale
Druckverhältnisse imKurbelgehäuse des Motors• Keine Leckage von Ölnebel in die Umgebung.
• Keine Verunreinigung des Schmieröls
durch angesaugten Staub sowie reduzierter
Verschleiß von Lagern und Wellendichtringen.
• Erhöhte Lebensdauer des Ölnebelfilters.

Intelligente Funktionen• Ausfallsicher, auch bei Stromausfall.
• CANopen®-Bus-Schnittstelle zur Motorüberwachung, Wartung und Diagnose.
• Vorbereitet für IoT- undCloud-Analyseplattformen.
• FlowSpin (optional) ermöglichteine erweiterte Motor- undÖlnebelfilterdiagnose.

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INDUSTRIAL

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werden, um die Zeit zwischen den Filterwechseln zu bestimmen.

DRUCKREGELUNG UND BLOW-BYDURCHFLUSSMESSUNG

UT99 bietet seit Langem offene Kurbel­
gehäuseentlüftungen (Open CrankcaseVentilation, OCV) an, die den Kurbel­
gehäusedruck mit einem Gebläse regeln.
Dabei wird das Kurbelgehäusedruck­signal ge­­nutzt, um die Gebläsedrehzahl
zu steuern. Ähnliche Systeme werden
auch für CCV eingesetzt, die zusätzlichden Ansaugluftunterdruck des Turbo­
laders berücksichtigen.
Für Anwendungen, die kein Gebläse
benötigen, hat UT99 den EPR eingeführt. Der EPR ist eine wartungsfreiemechatronische Drossel, die den Kurbelgehäusedruck innerhalb von ±1 mbar
des Sollwerts regelt. Das Gerät wird imEntlüftungspfad zwischen dem Ölnebelabscheider und dem Ansaugtrakt platziert. Während die äußeren Abmessungen immer gleich bleiben, kann für dieGeometrie des Drosselkörpers eine vonfünf Varianten zwischen DN14 undDN50 gewählt werden. Dies ermöglichteine gute Druckregelungsgenauigkeit
für ei­­nen breiten Bereich von Strömungsund Druckverhältnissen [5]. Der Drosselklappenwinkel wird elektronisch mithilfe des Kurbelgehäuse-Drucksignals
gesteuert, das direkt von einem Sensor
oder von der Motorsteuerung bereit­
gestellt wird. Zusätzlich unterstützte
Funktionen sind beispielsweise die­Meldung des EPR-Status per CAN-Bus
und die Überwachung des Blow-byDurchflusses durch einen optionalen
Durchflussmesser, der direkt an das
EPR angeschlossen ist, BILD 5.
Der Blow-by-Durchflussmesser von
UT99 ist auch als Stand-Alone-Version
mit zwei Laufradgeometrien und einem
Messbereich von 150 bis 2500 l/minerhältlich. Derzeit wird dieses Gerät
in Feldversuchen erprobt. BILD 6 zeigt
Ergebnisse dieser Tests, die sich auf
den Zusammenhang der Drehzahl desDurchflussmessers mit der Blow-byDurchflussmenge konzentrieren, diemit einem Referenzgerät ermittelt wur­­de. Offensichtlich ist die Messgenauigkeit selbst nach mehreren Tausend Be­­
triebsstunden stabil.

BILD 4 Druckverlust und Aerosolkonzentration im Reingas (© UT99)

BILD 5 EPR mit optionalem Blowby-Durchflussmesser (© UT99)

BILD 6 Blow-by-Volumenstrom im Verhältnis zur Drehzahl des Durchflussmessers (© UT99)

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FA ZIT

Kurbelgehäuseentlüftungssysteme
rücken durch den Einsatz alternativer Kraftstoffe, eine hohe geforderte
Abscheideleistung und gesetzliche Rahmenbedingungen zunehmend in denFokus. UT99 begegnet diesen Herausforderungen mit Lösungen für die Kurbel­
gehäuseentlüftung, die kompatibel,
hocheffizient (> 99,5 %) und flexibel
sind. Das Produktportfolio umfasst unter
anderem die Kurbelgehäusedruckregelung durch ein Gebläse oder einen EPR,
die digitalen Daten über den Status
des Entlüftungssystems liefern. Wertvolle Daten generiert auch der Blow-byDurchflussmesser, der nicht nur für dieZustandsbeurteilung von Filterelementen, sondern auch für die Analyse desMotorverschleißes genutzt werden kann.
Mit diesem anpassbaren Entlüftungs­
system und weiteren Entwicklungen inenger Zusammenarbeit mit OEMs sindLösungen darstellbar, die den Anfor­
derungen der jeweiligen Anwendung
gerecht werden.
LITERATURHINWEISE[1] Oppliger, R.; Stieler, C.: Vorteil der geschlos­
senen Kurbelgehäuseentlüftung für Großmotoren.
In: MTZ 81 (2020), Nr. 11, S. 66-71[2] Figer, G.; Schmidleitner, K.; Schönbacher, M;
et al.: 300 bar Spitzendruck für eine neue
Gene­r ation von Diesel- und Gasmotoren.
In: MTZ 80 (2019), Nr. 6, S. 70-75[3] Scheiber, K.; Nowak, N.; Lorenz, M.; et al.:Comparison of four diesel engines with regard
to blow-by aerosol properties as a basis forreduction strategies based on engine designand operation. In: Automotive and Engine
Technology 6/2021, S. 79-90[4] Nowak, N.; Sinn, T.; Scheiber, K.; et al.:On aerosol formation by condensation of oilvapor in the crankcase of combustion engines,
In: Aerosol Science and Technology 2/2022,S. 101-116[5] Nowak, N.; Sirtl, C.; Rymann, O.; et al.:Aerosol Separation and Pressure Control
of a Smart Crankcase Ventilation System.
In: Proceedings of the ASME 2022 ICE
Forward Conference, Indianapolis, 2022

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