ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СЕПАРАТОР
CENTRIFUGAL SEPARATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к центробежному сепаратору, сконфигурированному для отделения жидкой фазы от картерных газов двигателя внутреннего сгорания.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Картерные газы, выходящие из двигателя внутреннего сгорания, вентилируются из картера двигателя внутреннего сгорания. Картерные газы можно ликвидировать благоприятным для окружающей среды образом, вместо вентилирования в необработанной форме в атмосферу. Для определенных типов двигателей внутреннего сгорания законодательство требует, чтобы от картерных газов избавлялись благоприятным для окружающей среды образом.
Картерные газы могут содержать, среди прочего, просачивающиеся газы, масло, другие жидкие углеводороды, сажу и другие твердые остаточные продукты горения. Для подходящей ликвидации картерных газов, газ отделяют от жидкой фазы, которая содержит масло, сажу и другие остатки. Отделенный газ можно направлять в воздухозаборник двигателя внутреннего сгорания или выпускать в атмосферу, а жидкую фазу можно направлять обратно в масляный поддон двигателя внутреннего сгорания (не обязательно), через масляный фильтр для удаления сажи и других твердых остатков от масляных и других жидких углеводородов.
Центробежный сепаратор может быть использован для ликвидации картерных газов. Сепарационные диски центробежного сепаратора в виде дисков в форме усеченного конуса устанавливают в дисковый пакет с небольшими промежутками между сепарационными дисками. Картерные газы направляются в пакет вращающихся дисков, а тяжелые компоненты картерных газов, таких как масло и сажа, проталкиваются к внутренним поверхностям сепарационных дисков и образуют капли жидкой фазы, поскольку они проходят через сепарационные диски к внешней периферии дискового пакета. Капли проталкивают на внутреннюю стенку корпуса центробежного сепаратора и выводят из центробежного сепаратора через жидкостной выход. Картерные газы, освобожденные от тяжелых компонентов, выходят из центробежного сепаратора через выход для газа.
В EP 1880090 раскрыт прибор для очистки картерных газов, поступающих из двигателя внутреннего сгорания. Прибор содержит корпус, внутри которого имеется сепараторная камера, роторная установка с валом ротора, который вращательным образом установлен в корпусе, и центробежный ротор, расположенный в сепараторной камере, и жидкостное приводное устройство для приведения в действие вала ротора посредством рабочей жидкости, такой как смазочное масло двигателя внутреннего сгорания. Вход для картерного газа ведет в сепараторную камеру, которая также содержит выход для газа, и канал для сбора масла, соединенный с резервуаром для сбора масла. Резервуар для сбора масла обеспечен выпускным отверстием для отвода отделенного масла. Приводное устройство обеспечено в приводной камере, которая отделена от сепараторной камеры посредством перегородки корпуса, и вал ротора проходит через проход в перегородке в корпусе. В зоне прохода обеспечено лабиринтное уплотнение, для отделения приводной камеры от сепараторной камеры. Давление между приводной камерой и сепараторной камерой может быть выравнено с помощью лабиринтного уплотнения.
В зависимости от типа и состояния подходящего двигателя внутреннего сгорания, давление в его картере, по меньшей мере, временно, может быт повышено, на уровне выше давления внутри сепараторной камеры центробежного сепаратора. Таким образом, выведение отделенной жидкой фазы из сепараторной камеры обратно в картер двигателя внутреннего сгорания может быть проблематичным.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является, по меньшей мере, смягчение проблемы, обсуждаемой выше.
Согласно аспекту изобретения эта задача достигается с помощью центробежного сепаратора, сконфигурированного для отделения жидкой фазы от картерных газов двигателя внутреннего сгорания. Центробежный сепаратор содержит сепараторную камеру, вал ротора, проходящий через сепараторную камеру, ротор, соединенный с валом ротора внутри сепараторной камеры, вход для картерных газов, выход для газа и выход для жидкости, предназначенный для отделенной жидкой фазы. Центробежный сепаратор дополнительно содержит выходную камеру для жидкости, контрольный клапан и вращающийся элемент. Выходная камера для жидкости образует отдельную камеру и находится в сообщении по текучей среде с сепараторной камерой через жидкостной канал. Вращающийся элемент соединен с валом ротора и установлено внутри выходной камеры для жидкости. Выход для жидкости образует выход из выходной камеры для жидкости, причем контрольный клапан расположен в выходе для жидкости.
Поскольку центробежный сепаратор содержит камеру для выпуска жидкости, который образует отдельную камеру и находится в сообщении по текучей среде с сепараторной камерой через жидкостной канал, и поскольку центробежный сепаратор содержит вращающийся элемент, установленный внутри камеры для выпуска жидкости, отделенная жидкая фаза переносится вращающимся элементом из сепараторной камеры в камеру для выпуска жидкости, и/или из камера для выпуска жидкости на выход для жидкости, тогда как контрольный клапан обеспечивает, чтобы отделенная жидкая фаза поступала из камеры для выпуска жидкости до тех пор, пока давление внутри камеры для выпуска жидкости более высокое, чем ниже по потоку со стороны контрольного клапана. В результате, достигается вышеуказанная задача.
При эксплуатации центробежного сепаратора картерные газы поступают в сепараторную камеру и в ротор через вход для картерных газов. Газ, отделенный в сепараторной камере, выходит из сепараторной камеры через выход для газа. Тяжелые компоненты картерных газов, такие как масло и сажа, отделяются в роторе и образуют капли жидкой фазы. Капли выдавливают на внутреннюю стенку сепараторной камеры и направляют к жидкостному каналу. Вся жидкая фаза, отделенная в сепараторной камере, по пути к выходу для жидкости течет через камеру для выпуска жидкости. То есть, сепараторная камера не имеет никакого другого выхода для отделенной жидкой фазы, кроме жидкостного канала, ведущего в камеру для выпуска жидкости. Вращающийся элемент внутри камеры для выпуска жидкости образует насосное колесо, поскольку оно вращается вместе с валом ротора. Вращающийся элемент как таковой может откачивать жидкую фазу из сепараторной камеры через жидкостной канал в камеру для выпуска жидкости. Более того, вращающийся элемент может повышать давление внутри камеры для выпуска жидкости, чтобы оно было достаточным для продавливания жидкой фазы за контрольный клапан, т.е. для преодоления давления ниже по потоку относительно контрольного клапана.
Согласно вариантам воплощения центробежный сепаратор может содержать электродвигатель, сконфигурированный для приведения в движение вала ротора вокруг оси вращения. Таким образом, ротор может быть эффективно приведен в движение. Более того, вращающийся элемент может быть эффективно приведен в движение электродвигателем, наряду с ротором. Таким образом, вращающийся элемент не требует никаких отдельных средств приведения в движение.
Приведение в движение вращающегося элемента может быть дополнительно выполнено посредством гидравлического привода. В качестве примера, сепаратор может содержать турбинное колесо, установленное для вращения посредством струи масла, поступающей из масляной системы двигателя внутреннего сгорания, или колеса свободной струи, содержащего диск обратной вспышки. Кроме того, вращающийся элемент центробежного сепаратора может быть приведено в действие механически, например, посредством ременной передачи, непосредственной передачи валом или посредством вала, в сочетании с одним или несколькими зубчатыми колесами.
Согласно вариантам воплощения вращающийся элемент может быть почти круглым. Таким образом, насосный эффект может быть достигнут за счет вращающегося элемента сравнительно несложной формы.
Согласно вариантам воплощения жидкостной канал может быть установлен в пределах радиуса вращающегося элемента, если смотреть в направлении вдоль вала ротора. Таким образом, насосный эффект может быть достигнут в виде отделенной жидкой фазы, вводимой из жидкостного канала в пределах радиуса вращающегося элемента и накачивания ее к периферии вращающегося элемента, когда оно вращается.
Согласно вариантам воплощения ротор может содержать пакет сепарационных дисков в форме усеченного конуса. Таким образом, эффективное отделение жидкой фазы от картерных газов может быть достигнуто в виде продавливания тяжелых компонентов картерных газов от внутренних поверхностей сепарационных дисков и формирования капель жидкой фазы, когда они проходят вдоль сепарационных дисков к внешней периферии сепарационных дисков и пакета дисков.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут ясными из изучения прилагаемой формулы изобретения и следующего подробного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Различные аспекты изобретения, включая его конкретные признаки и преимущества, можно будет легко понять из примерных вариантов воплощения, обсуждаемых в дальнейшем подробном описании и на прилагаемых чертежах, на которых:
Фиг. 1 иллюстрирует поперечное сечение через центробежный сепаратор согласно вариантам воплощения,
Фиг. 2 и 3 иллюстрируют поперечные сечения через нижние части центробежного сепаратора по Фиг. 1, и
Фиг. 4 иллюстрирует вращающийся элемент согласно вариантам воплощения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Аспекты настоящего изобретения далее будут описаны более полно. Одинаковые номера ссылок относятся к одинаковым элементам на всех чертежах. Хорошо известные функции или конструкции не обязательно будут описаны подробно, для краткости и/или ясности.
Фиг. 2 иллюстрирует поперечное сечение через центробежный сепаратор 2 согласно вариантам воплощения. Центробежный сепаратор 2 сконфигурирован для отделения жидкой фазы от картерных газов, выходящих из двигателя внутреннего сгорания. Центробежный сепаратор 2 содержит корпус 4, причем данный корпус 4 может содержать множество отдельных деталей, которые подходят друг к другу. Центробежный сепаратор 2 дополнительно содержит вход 6 для картерных газов, выход 8 для газа, предназначенный для газа, очищенного от тяжелых компонентов картерных газов, и выход 10 для жидкости, предназначенный для жидкой фазы, отделенной от картерных газов. Жидкая фаза содержит тяжелые компоненты картерных газов.
Внутри корпуса 4, центробежный сепаратор 2 содержит сепараторную камеру 12 и камеру 14 для выпуска жидкости. Центробежный сепаратор 2 дополнительно содержит ротор 16, установленный внутри сепараторной камеры 12, вращающийся элемент 18, установлен внутри камеры 14 для выпуска жидкости, и вал 20 ротора, проходящий через сепараторную камеру 12 и камеру 14 для выпуска жидкости. Ротор 16 и вращающийся элемент 18 соединены с валом ротора 20.
Центробежный сепаратор 2 содержит электродвигатель 22, соединенный с валом 20 ротора. Электродвигатель 22 сконфигурирован для приведения в движение вала 20 ротора вокруг оси вращения 24. В этих вариантах воплощения электродвигатель 22 соединен с верхним концом вала 20 ротора. В альтернативных вариантах воплощения электродвигатель может быть соединен с нижним концом вала 20 ротора.
Ротор 16 содержит пакет сепарационных дисков 26 в форме усеченного конуса. В пакете, сепарационные диски 26 в форме усеченного конуса пакетированы таким образом, чтобы они подпирали друг друга. Для ясности, это было проиллюстрировано на Фиг. 2 только на нижнем и на верхнем конце пакета. В этих вариантах воплощения сепарационные диски 26 в форме усеченного конуса пакетированы таким образом, чтобы их широкие концы были обращены вниз. В альтернативных вариантах воплощения, сепарационные диски 26 в форме усеченного конуса могут быть пакетированы таким образом, чтобы их широкие концы были обращены вверх.
Фиг. 2 иллюстрирует поперечное сечение через нижнюю часть центробежного сепаратора 2 по Фиг. 1. Точнее говоря, Фиг. 2 иллюстрирует поперечное сечение через часть выхода 10 для жидкости и часть корпуса 4 у камеры 14 для выпуска жидкости.
Центробежный сепаратор 2 содержит контрольный клапан 28. Контрольный клапан 28 установлен в канале 30. Канал 30 проходит от камеры 14 для выпуска жидкости и через выход 10 для жидкости. Контрольный клапан 28 предотвращает течение текучей среды в камеру 14 для выпуска жидкости через выход 10 для жидкости. Таким образом, может быть предотвращено попадание картерных газов в центробежный сепаратор 2 через выход 10 для жидкости. Контрольный клапан 28 содержит зонтичный клапан, т.е. контрольный клапан 28 содержит зонтичный 32 упругий элемент и стеночный элемент 34, содержащий одно или более сквозных отверстий. Упругий элемент 32 упирается в стеночный элемент 34. Если давление выше по потоку относительно зонтичного клапана более высокое, чем ниже по потоку относительно зонтичного клапана, то упругий элемент 32 будет поддаваться, и жидкость может течь через одно или более сквозных отверстий за упругий элемент. Если давление ниже по потоку относительно зонтичного клапана более высокое, чем выше по потоку относительно зонтичного клапана, упругий элемент 32 будет прижиматься к стеночному элементу 34, и будет оставаться в положении, покрывающем одно или более сквозных отверстий. Естественно, в качестве альтернативы, в выходе 10 для жидкости центробежного сепаратора 2 может быть использован другой тип контрольного клапана.
Фиг. 3 иллюстрирует поперечное сечение через нижнюю часть центробежного сепаратора 2 по Фиг. 1 и 2. Точнее говоря, Фиг. 3 иллюстрирует поперечное сечение через часть сепараторной камеры 12 и через камеру 14 для выпуска жидкости.
Камера 14 для выпуска жидкости установлена у нижнего конца центробежного сепаратора 2, когда центробежный сепаратор 2 установлен для функционирования, наряду с подходящим двигателем внутреннего сгорания. Камера 14 для выпуска жидкости образует отдельную камеру, т.е. камера 14 для выпуска жидкости образует отсек, отделенный от сепараторной камеры 12. Однако, камера 14 для выпуска жидкости находится в сообщении по текучей среде с сепараторной камерой 12 через жидкостной канал 36. Более того, выход 10 для жидкости центробежного сепаратора 2 образует выход из камеры 14 для выпуска жидкости. Следовательно, сепараторная камера 12 установлена выше по потоку относительно жидкостного канала 36, камера 14 для выпуска жидкости установлена ниже по потоку относительно жидкостного канала 36, а выход 10 для жидкости установлен ниже по потоку относительно камеры 14 для выпуска жидкости.
Жидкостной канал 36 проходит от дна сепараторной камеры 12 до камеры 14 для выпуска жидкости. Отделенная жидкая фаза оседает в сепараторной камере 12 на дно сепараторной камеры 12. Таким образом, жидкая фаза будет оседать в жидкостном канале 36. Следовательно, центробежный сепаратор 2 сконфигурирован для всей отделенной жидкой фазы, которая течет из сепараторной камеры 12 через жидкостной канал 36 и камеру 14 для выпуска жидкости, и через выход 10 для жидкости из центробежного сепаратора 2.
Вращающийся элемент 18 является почти круглым и установлен внутри камеры 14 для выпуска жидкости. Поскольку вращающийся элемент 18 вращается валом ротора 20, отделенная жидкая фаза вытесняется из камеры 14 для выпуска жидкости к выходу 10 для жидкости и из центробежного сепаратора 2, за счет повышения давления в камере 14 для выпуска жидкости вращающимся элементом 18. Более того, размещение вращающегося элемента 18 в камере 14 для выпуска жидкости, как обсуждается ниже, обеспечивает насосный эффект, который позволяет откачивать жидкую фазу из сепараторной камеры 12 в камеру 14 для выпуска жидкости
Жидкостной канал 36 проходит сквозь часть стенки, проходящую между сепараторной камерой 12 и камерой 14 для выпуска жидкости. В этих вариантах воплощения, жидкостной канал 36 проходит через подшипник 38, который установлен у шейки вала 20 ротора. Часть стенки, проходящая между сепараторной камерой 12 и камерой 14 для выпуска жидкости, представляет собой часть стенки корпуса 4, отграничивающей сепараторную камера 12 от камеры 14 для выпуска жидкости. Подшипник 38 представляет собой открытый шарикоподшипник, вделанный в часть стенки. Жидкостной канал может быть обеспечен альтернативными средствами, такими как с помощью различных видов подшипников, или отверстий, проходящая сквозь часть стенки. Жидкостной канал 36 должен быть подходящим образом установлен в пределах радиуса вращающегося элемента 18, если смотреть в направлении вдоль вала 20 ротора. Таким образом, вышеупомянутый насосный эффект может быть достигнут при введении отделенной жидкой фазы из жидкостного канала 36 в пределах радиуса вращающегося элемента 18 и ее откачивании к периферии вращающегося элемента 18, при вращении вращающегося элемента 18.
Вращающийся элемент 18 содержит, по меньшей мере, один проходящий аксиально первый 40 круглый фланец. По меньшей мере, один проходящий аксиально первый 40 круглый фланец обращен в направлении жидкостного канала 36. Первый 40 круглый фланец в этих вариантах воплощения установлен на внешней периферии вращающегося элемента 18. Часть стенки камеры 14 для выпуска жидкости у жидкостного канала 36 содержит второй 42 круглый фланец, проходящий к вращающемуся элементу 18. Между вторым 42 круглым фланцем и вращающимся элементом 18 образован зазор 44. Следовательно, если смотреть на вид, перпендикулярный к валу 20 ротора, первый 40 круглый фланец перекрывает, по меньшей мере, частично второй 42 круглый фланец. Зазор 44 подходящим образом может обладать высотой до 0,9 мм. Зазор 44 такой высоты может вносить вклад в обсуждаемый выше насосный эффект по жидкой фазе, отделенной от картерных газов двигателя внутреннего сгорания, при вращении вращающегося элемента 18.
Обратимся теперь к Фиг. 1-3, где вход 6 может быть установлен в постоянном открытом соединении с внутренним пространством картера двигателя внутреннего сгорания, картерные газы которого должны быть обработаны в центробежном сепараторе 2. В ходе работы, картерные газы попадают в центробежный сепаратор 2 через вход 6 и поступают через каналы в центральную часть ротора 16. Газ, отделенный в сепараторной камере 12, выходит из сепараторной камеры 12 через выход 8 для газа. Тяжелые компоненты картерных газов, такие как масло и сажа, отделяются в роторе 16 и образуют капли жидкой фазы. Капли выдавливают на внутреннюю стенку сепараторной камеры 12 и направляют к жидкостному каналу 36. Вся жидкая фаза, отделенная в сепараторной камере 12, по пути к выходу для жидкости 10 течет через камеру 14 для выпуска жидкости. То есть, сепараторная камера 12 не имеет никакого другого выхода для отделенной жидкой фазы, отличного от жидкостного канала 36, ведущего в камеру 14 для выпуска жидкости. Вращающийся элемент 18 внутри камеры 14 для выпуска жидкости образует насосное колесо, поскольку оно вращается вместе с валом ротора 20, под действием электродвигателя 22. Вращающийся элемент как таковой 18 может откачивать жидкую фазу из сепараторной камеры 12 через жидкостной канал 36 в камеру 14 для выпуска жидкости. Более того, вращающийся элемент 18 может повышать давление внутри камеры 14 для выпуска жидкости, чтобы оно было достаточным для выдавливания жидкой фазы за контрольный клапан 28, т.е. для преодоления давления ниже по потоку относительно контрольного клапана 28.
Давление внутри картера двигателя внутреннего сгорания может находиться в диапазоне 10-50 мбар выше давления окружающей среды вокруг двигателя внутреннего сгорания. Следовательно, вращающийся элемент 18 должно повышать давление внутри камеры 14 для выпуска жидкости для преодоления такого давления, для переноса жидкой фазы, отделенной от картерных газов, назад в картер подходящего двигателя внутреннего сгорания.
В зависимости от размера двигателя внутреннего сгорания, картерные газы которого должны быть обработаны, и таким образом упомянутого лишь в качестве примера, электродвигатель 22 может вращать вал 20 ротора при скорости 6000-10000 оборотов в минуту. Сепарационные диски 20 могут иметь внешний диаметр в диапазоне 100-200 мм. Пакет сепарационных дисков 26 в форме усеченного конуса может содержать 30-80 дисков 26.
Фиг. 4 иллюстрирует вращающийся элемент 18' согласно альтернативным вариантам воплощения. Вращающийся элемент 18' сконфигурирован таким образом, чтобы он было установлен в камере для выпуска жидкости центробежного сепаратора, как обсуждалось выше применительно к Фиг. 1-3. Вращающийся элемент 18' содержит, по меньшей мере, одну проходящую радиально лопатку 19. В качестве альтернативы, вращающийся элемент 18' может содержать, по меньшей мере, одну проходящую аксиально лопатку.
Термин лопатка следует интерпретировать в широком смысле, и он включает в себя любой элемент, проходящий от периферии вращающегося элемента, например, крыло вентилятора, лопасть. Внутренняя форма камеры для выпуска жидкости may взаимодействовать, по меньшей мере, с одной простирающейся лопаткой, как в насосе, т.е. для повышения давления в части камеры для выпуска жидкости, при этом данное давление вытесняет жидкую фазу из камеры для выпуска жидкости через выход для жидкости. Небольшого повышения давления бывает достаточно для преодоления давления картера, соединенного с выходом 10 для жидкости.
Это изобретение не следует рассматривать как ограниченное вариантами воплощения, изложенными в настоящей работе. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что различные признаки вариантов воплощения, раскрытых в настоящей работе, могут быть скомбинированы для создания вариантов воплощения, отличных от тех, которые были описаны выше. Поэтому следует понимать, что вышеизложенное является лишь иллюстрацией различных примерных вариантов воплощения, и что изобретение задано лишь прилагаемой формулой изобретения.
В целях настоящей работы, термин «содержащий» или «содержит» является неограничивающим и включает в себя один или более указанных признаков, элементов, этапов, компонентов или функций, но не исключает наличия или добавления одного или более других признаков, элементов, этапов, компонентов, функций или их групп.