ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СЕПАРАТОР
CENTRIFUGAL SEPARATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к центробежному сепаратору для очистки газа, содержащего масло, главным образом для очистки картерных газов из двигателя внутреннего сгорания, такого как дизельный двигатель. Более конкретно, настоящее изобретение относится к центробежному сепаратору согласно преамбуле пункта 1 формулы изобретения, см. WO 2004/022239.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Картерные газы из двигателя внутреннего сгорания содержат масло в форме масляного тумана или масляных капелек, смешанных с другими примесями, такими как сажа и углеводороды. Такие примеси в картерных газах могут формировать вязкие вещества. Более того, обычной практикой является добавление различных присадок к маслу двигателя внутреннего сгорания, чтобы улучшить свойства масла для смазывания и охлаждения двигателя внутреннего сгорания. Однако такие присадки могут иметь отрицательный эффект из-за того факта, что примеси, такие как сажа и углеводороды, формируют вещества, которые являются еще более вязкими.
Назначение центробежного сепаратора, раскрытого в WO 2004/022239, состоит в улучшении смазывания верхнего подшипника, поддерживающего полый шпиндель центробежного ротора. Масло передается через полый шпиндель и верхнее отверстие в небольшую камеру, откуда масло передается через верхний подшипник во впуск, чтобы быть смешанным с картерными газами. Относительно небольшое количество масла необходимо для смазывания верхнего подшипника. Отверстие полого шпинделя центробежного сепаратора, раскрытого в WO 2004/022239, выполнено с возможностью подачи лишь относительно небольшого количества масла, достаточного для смазывания лишь верхнего подшипника. Уровень техники, таким образом, нацелен на поддержание количества подаваемого масла на минимуме.
Одна проблема центробежного сепаратора, раскрытого в WO 2004/022239, и других центробежных сепараторов для очистки картерных газов по уровню техники состоит в том, что масло и примеси, содержащиеся в картерном газе, являются очень вязкими, как упоминалось выше, так что вязкие скопления сажи и примесей могут прикрепляться к внутренним частям центробежного сепаратора, особенно к поверхности внутренней стенки неподвижного корпуса.
WO 2009/029022 раскрывает другой центробежный сепаратор для очистки газа, содержащего жидкие и твердые примеси. Центробежный сепаратор по указанному документу уровня техники содержит устройство подачи для подачи аэрозоля через сопло во впускной канал центробежного сепаратора. Аэрозоль, который может быть сформирован посредством воды, предназначен для предотвращения прикрепления примесей к разделительным дискам.
WO 2005/087384 раскрывает другой центробежный сепаратор для очистки газа. Этот центробежный сепаратор содержит промывочное сопло, расположенное, чтобы подавать очистительную жидкость для промывки разделительных дисков.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в исправлении или ослаблении проблем, упомянутых выше, и в предотвращении или уменьшении вязких скоплений в разделительном пространстве центробежного сепаратора, особенно на поверхности внутренней стенки корпуса центробежного сепаратора.
Задача решена посредством изначально определенного центробежного сепаратора, отличающегося тем, что устройство подачи масла выполнено с возможностью подачи такого количества масла в разделительное пространство, чтобы текущая масляная пленка создавалась на поверхности внутренней стенки при работе центробежного сепаратора.
Автор настоящего изобретения обнаружил, что, если увеличенное количество масла вводится в разделительное пространство и, таким образом, смешивается с очищаемым газом, масляная пленка может создаваться на внутренних частях центробежного сепаратора, и особенно на поверхности внутренней стенки неподвижного корпуса. Масло может с пользой непрерывно подаваться в разделительное пространство при работе центробежного сепаратора. Вдобавок к пониманию того, что имеется нижний предел количества подаваемого масла, чтобы достичь желаемого эффекта, то есть, создать масляную пленку, изобретатель также осознал, что также имеется верхний предел. Если слишком много масла подается в разделительное пространство, масло будет загрязнять очищенный газ. Соответственно, автор выявил, что имеется баланс, который должен быть достигнут, то есть, количество масла должно находиться в этих пределах.
Такая масляная пленка будет течь по поверхности внутренней стенки и, таким образом, предотвращать сажу и другие примеси от закупоривания и прикрепления к поверхности внутренней стенки, таким образом, предотвращая формирование скоплений на внутренних частях центробежного сепаратора. Более надежное и эффективное разделение газов будет, таким образом, обеспечиваться до тех пор, пока поддерживается вышеописанный баланс. Следовательно, слишком большое количество подаваемого масла будет загрязнять очищенный воздух и приводить к ненадежному и неэффективному разделению.
Согласно варианту осуществления изобретения, устройство подачи масла предусмотрено, чтобы подавать масло во вращающийся объем газа, чтобы вращать масло и приводить вращающееся масло к поверхности внутренней стенки. Вращающийся объем газа, таким образом, будет вносить вклад в формирование и течение масляной пленки на поверхности внутренней стенки.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, устройство подачи масла содержит впускное сопло, имеющее диаметр отверстия. Такое впускное сопло может формировать дросселирующий элемент для подаваемого масла.
Впуск может иметь такой размер относительно диаметра отверстия, чтобы позволить подаваться подходящему количеству масла, в частности, относительно разницы в давлении между картером и скоростью разделения, и скорости вращения центробежного сепаратора. Специалист в данной области техники должен придать отверстию такой размер, чтобы формировалась достаточная масляная пленка, но не такой величины, чтобы очищенный газ загрязнялся слишком большим количеством подаваемого масла. Придание такого размера может быть достигнуто посредством стандартного метода испытаний, так называемого метода проб и ошибок. Важным фактором, который будет влиять на подходящую скорость потока масла для формирования масляной пленки на поверхности внутренней стенки, является реальный размер центробежного сепаратора. Следовательно, большему сепаратору требуется больше масла, что влияет на размер отверстия. Другим фактором является конфигурация масляного выпуска, то есть, что он может сливать масло из разделительного пространства с достаточной скоростью. Количество отделяемого и сливаемого масла также будет зависеть от расхода загрязненного очищаемого газа. Более того, скорость вращения центробежного ротора также будет влиять на скорость слива, и большее количество газа будет требовать в целом более высокой скорости ротора, чтобы осуществить достаточное разделение увеличенного количества газа. Более высокая скорость ротора будет в большинстве случаев создавать более высокое давление в разделительном пространстве, окружающем ротор, чем в картере, а более высокое давление в разделительном пространстве, окружающем ротор, способствует разгрузке масла из разделительного пространства.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, газовый выпускной канал предусмотрен в первой концевой части, а впускное сопло обеспечивается в противоположной второй концевой части. С таким расположением гарантируется, что масло, подаваемое в разделительное пространство, не смешивается с очищенным газом, покидающим разделительное пространство. Дополнительный эффект состоит в том, что вращающийся газ вокруг центробежного ротора будет распределять масляную пленку вдоль поверхности внутренней стенки, по мере того как он перемещается по спиралевидному пути в направлении выпуска газа.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, центробежный сепаратор содержит сборное пространство, содержащее масло в жидкой форме, а также в форме масляного тумана и принимающее первый конец шпинделя. Сборное пространство может обеспечиваться рядом с первой концевой частью, предпочтительно, под газовым выпускным каналом. Более того, сборное пространство может быть выполнено с возможностью сбора масла, сливаемого из разделительного пространства при работе центробежного сепаратора.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, центробежный сепаратор содержит внутренний канал, продолжающийся внутри и вдоль шпинделя и выполненный с возможностью переноса масла из сборного пространства через внутренний канал и через впускное сопло, обеспеченное во втором конце шпинделя. Посредством такого решения масло в сборном пространстве может использоваться и рециркулироваться, чтобы обеспечивать масляную пленку на поверхности внутренней стенки.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, диаметр отверстия составляет от 3 до 5 мм. Было показано, что такой размер диаметра отверстия обеспечивает достаточное количество масла для формирования масляной пленки по меньшей мере в том случае, когда масло передается через внутренний канал шпинделя и подается в разделительное пространство через впускное сопло во втором конце шпинделя в виде масляного тумана. Предпочтительно, диаметр отверстия может составлять от 3,5 до 4,5 мм, особенно около 4 мм.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, устройство подачи масла содержит впускное сопло, имеющее диаметр отверстия, в котором внутренний канал имеет диаметр, больший диаметр отверстия. Преимущественно, диаметр внутреннего канала может находиться в диапазоне от 5 до 7 мм.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, впускное сопло обеспечивается внутри подшипника, например, верхнего подшипника, прикрепленного к шпинделю во втором конце, при этом масло передается из впускного сопла через подшипник в разделительное пространство. Таким образом, подача масла в разделительное пространство может также использоваться для смазывания подшипника.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, приводной элемент содержит турбинное колесо, обеспеченное на шпинделе в сборном пространстве, и турбинное сопло, обеспеченное в сборном пространстве, чтобы впрыскивать струю масла на турбинное колесо, тем самым вращая центробежный ротор.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, впускное сопло обеспечено в неподвижном корпусе и соединено с внешней трубой для подачи масла во впускное отверстие. Впускное сопло может, таким образом, тянуться через неподвижный корпус, например, во второй концевой части. Согласно данному варианту осуществления, масло может подаваться под давлением 3-6 бар. Диаметр отверстия в этом случае может составлять от 0,3 до 1,5 мм.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, приводной элемент содержит электродвигатель, соединенный со шпинделем. Такой отдельный приводной элемент может быть полезным в некоторых обстоятельствах. Приводной элемент может также содержать такой отдельный двигатель в форме пневматического двигателя или гидравлического двигателя.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, приводной элемент выполнен с возможностью вращения центробежного ротора со скоростью вращения от 6000 до 12000 об/мин, предпочтительно, от 6000 до 10000 об/мин.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, центробежный сепаратор выполнен таким образом, что вторая концевая часть повернута вверх. Первая концевая часть в этом случае повернута вниз, что означает, что сборное пространство предусмотрено в нижнем конце центробежного сепаратора.
Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, устройство подачи масла выполнено с возможностью соединения с двигателем внутреннего сгорания для подачи сжатого смазочного масла из двигателя внутреннего сгорания. Благодаря данному варианту осуществления для рециркуляции масла не требуется никакого дополнительного оборудования. Вместо этого, сжатое смазочное масло из двигателя внутреннего сгорания используется для подачи масла в разделительное пространство и для формирования масляной пленки. Когда шпиндель вращается посредством приводного элемента, содержащего турбинное колесо, сжатое смазочное масло может также использоваться для привода центробежного ротора.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение далее будет более тщательно пояснено посредством описания различных вариантов осуществления и со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 раскрывает вид в разрезе центробежного ротора согласно первому варианту осуществления изобретения.
Фиг. 2 раскрывает вид в разрезе части центробежного ротора согласно второму варианту осуществления изобретения.
Фиг. 3 раскрывает вид в разрезе центробежного ротора согласно третьему варианту осуществления изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг. 1 раскрывает первый вариант осуществления центробежного сепаратора для очистки газа, содержащего масло, например, картерных газов из двигателя внутреннего сгорания (не показан). Фиг. 1 также раскрывает клапан 1 регулировки давления, выполненный с возможностью поддержания в безопасном диапазоне давления в картере двигателя внутреннего сгорания.
Центробежный сепаратор содержит неподвижный корпус 2, образующий разделительное пространство 3 внутри неподвижного корпуса 2. Неподвижный корпус 2 является неподвижным относительно двигателя 1 внутреннего сгорания. Неподвижный корпус 2 содержит первую концевую часть 2a, противоположную вторую концевую часть 2b, и промежуточную часть 2c, обеспеченную между первой концевой частью 2a и второй концевой частью 2b и примыкающую к ним. В раскрытых вариантах осуществления, первая концевая часть 2a формирует нижнюю часть при работе центробежного сепаратора, тогда как вторая концевая часть 2b формирует верхнюю часть.
Неподвижный корпус 2 имеет поверхность 4 внутренней стенки, обращенную к разделительному пространству 3. Главная часть поверхности 4 внутренней стенки, которая, в частности, рассматривается в данном случае, является промежуточной частью 2c, продолжающейся вокруг разделительного пространства 3 между первой концевой частью 2a и второй концевой частью 2b.
Центробежный сепаратор также содержит впускной канал 5, газовый выпускной канал 6 и масляный выпуск 7. Впускной канал 5 продолжается к разделительному пространству 3 и формирует впуск для картерного очищаемого газа, в раскрытых вариантах осуществления впускной канал 5 обеспечивается во второй концевой части 2b и продолжается через нее. Газовый выпускной канал 6 предусмотрен для выпуска очищенного газа из разделительного пространства 3. В раскрытых вариантах осуществления, газовый выпускной канал 6 предусмотрен в первой концевой части 2a и продолжается через нее посредством клапана 1 регулировки давления. Масляный выпуск 7 предусмотрен для выпуска отделенного масла из разделительного пространства 3. В раскрытых вариантах осуществления, масляный выпуск 7 предусмотрен в первой концевой части 2a и продолжается через нее.
Более того, центробежный сепаратор содержит центробежный ротор 9 и приводной элемент, предусмотренный для вращения центробежный ротор 9 в направлении вращения вокруг оси x вращения, чтобы создать объем вращающегося газа. Масло, таким образом, отделяется от картерных газов посредством центробежных сил. Центробежный ротор 9 обеспечен в разделительном пространстве 3 и продолжается от первой концевой части 2a ко второй концевой части 2b. Центробежный ротор содержит шпиндель 11 и множество разделительных дисков 12a-12c, удерживаемых шпинделем 11.
Множество разделительных дисков 12a-12с содержат, или включают в свой состав, первый разделительный диск 12a рядом с первой концевой частью 2a и рядом с первым концом 11a шпинделя 11, второй разделительный диск 12b рядом со второй концевой частью 2b и рядом со вторым концом 11b шпинделя 11 и множество промежуточных разделительных дисков 12c, обеспеченных между первым разделительным диском 12a и вторым разделительным диском 12b.
Шпиндель 11 поддерживается посредством подшипника 13 во втором конце 11b и посредством дополнительного подшипника 14 в первом конце 11a.
Разделительные диски 12a-12с тянутся наружу из шпинделя 11. В раскрытых вариантах осуществления, каждый из разделительных дисков 12a-12c имеет форму усеченного конуса. Разделительные диски 12a-12c повернуты так, чтобы форма усеченного конуса разделительных дисков 12a-12c была направлена к первой концевой части 2a.
Центробежный сепаратор согласно первому варианту осуществления содержит сборное пространство 15, содержащее масло и принимающее первый конец 11a шпинделя 11. Сборное пространство 15 обеспечено во втором конце 11b шпинделя и под газовым выпускным каналом 6. Разделительная перегородка 16 отделяет сборное пространство 15 от разделительного пространства 3. Дополнительный подшипник 14 обеспечен в связи со сборным пространством 15 и, таким образом, смазывается маслом, стекающим из разделительного пространства в сборное пространство.
Внутренний канал 17 продолжается внутри и вдоль шпинделя 11 от отверстия в первом конце 11a ко второму концу 11b и через впускное сопло 18, обеспеченное во втором конце 11b шпинделя 11 и во второй концевой части 2b.
Центробежный сепаратор также содержит устройство подачи масла, выполненное с возможностью подачи некоторого количества масла в разделительное пространство 3 таким образом, чтобы текущая масляная пленка создавалась на поверхности 4 внутренней стенки при работе центробежного сепаратора. В первом варианте осуществления, устройство подачи масла содержит внутренний канал 17 и впускное сопло 18, что позволяет переносить масло из сборного пространства 15 через внутренний канал 17 и через впускное сопло 18.
Впускное сопло 18 имеет диаметр d отверстия, который составляет от 3 до 5 мм, предпочтительно, в диапазоне от 3,5 до 4,5 мм, например, составляет 4 мм. Внутренний канал 17 имеет диаметр D, который превосходит диаметр d отверстия. Впускное сопло 18, таким образом, будет функционировать в качестве дросселирующего элемента для масла, текущего через впускной канал 17. Диаметр D внутреннего канала 17 может находиться в диапазоне от 5 до 7 мм.
Как видно на фиг. 1 и 2, впускное сопло 18 обеспечено во втором конце 11b шпинделя 11 на небольшом расстоянии от концевой поверхности второго конца 11b.
Более того как видно на фиг. 1 и 2, впускное сопло 18 обеспечено внутри подшипника 13, который прикреплен к шпинделю 11 во втором конце 11b. Покрывающий элемент 19 обеспечен снаружи второго конца 11b, ограничивая пространство снаружи внутреннего канала 17 и впускного сопла 18.
В раскрытых вариантах осуществления, покрывающий элемент 19 также обеспечен, чтобы поддерживать подшипник 13 в неподвижном корпусе 2.
В первом варианте осуществления, приводной элемент содержит турбинное колесо 22 и турбинное сопло 23. Турбинное колесо 22 прикрепляется к шпинделю 11 в первом конце 11a и обеспечивается в сборном пространстве 15 над уровнем 24 масла, содержащегося в сборном пространстве 15. Турбинное сопло 23 обеспечивается в сборном пространстве 15, чтобы впрыскивать струю масла на турбинное колесо 22, тем самым вращая центробежный ротор 9.
При работе центробежного сепаратора по первому варианту осуществления масло подается в турбинное сопло 23 через турбинное колесо 22, чтобы вращать шпиндель 11 и центробежный ротор 9 в неподвижном корпусе со скоростью вращения, например, от 6000 до 12000 об/мин, такой как от 6000 до 10000 об/мин. Когда струя масла ударяет в турбину, масляный туман формируется внутри сборного пространства 15. Масло будет собираться в сборном пространстве 15 до уровня 24.
Масляный туман, содержащийся в сборном пространстве 15 выше уровня 24, при работе будет непрерывно всасываться во внутренний канал 17 шпинделя 11 и передаваться к впускному соплу 18 и через него. Из впускного сопла 18 масло направляется посредством покрывающего элемента 19 и передается через подшипник 13 и в разделительное пространство 3. Затем масло будет подаваться ко второму разделительному диску 12b и, возможно, к одному или более из соседних промежуточных дисков 12c. Масло, таким образом, вводится во вращающийся объем газа и посредством центробежных сил переносится наружу к поверхности 4 внутренней стенки. Благодаря вращающемуся объему газа, вращательное движение масла будет продолжаться на поверхности 4 внутренней стенки, так что текущая масляная пленка создается на поверхности 4 внутренней стенки. В раскрытых вариантах осуществления, масляная пленка также будет перемещаться вниз благодаря потоку газа в направлении газового выпускного канала 6, и благодаря силам тяжести, действующим на масло, когда центробежный сепаратор ориентирован, как показано на фиг. 1-3, с осью x вращения, направленной вертикально.
Заявитель выполнил эксперименты, чтобы проверить работу изобретения. Эти эксперименты показывают, что со скоростью вращения от 6000 до 12000 об/мин и диаметром отверстия от 3 до 5 мм количество масла, подаваемое в разделительное пространство 3, может создавать текущую масляную пленку на поверхности 4 внутренней стенки и в то же время обеспечивать эффективное очищение картерного газа, то есть, с отсутствием или незначительным количеством масла в очищенном газе.
Эксперименты выполнялись с центробежным сепаратором в лаборатории, но центробежный сепаратор был выполнен с возможностью использования вместе с двигателем внутреннего сгорания типа, используемого для обычных грузовых автомобилей. Обычный грузовой автомобиль или тяжелое дорожное транспортное средство обычно оборудовано дизельным двигателем, имеющим размер в диапазоне от 5 до 16 литров.
В первом варианте осуществления, впускное сопло 18 сформировано посредством соплового элемента, который вставляется во внутренний канал 17 во втором конце 11b шпинделя 11. Такой сопловой элемент может являться заменяемым.
Фиг. 2 относится ко второму варианту осуществления, который отличается от первого варианта осуществления только тем, что впускное сопло 18 сформировано в виде неотъемлемой части шпинделя 11. Такое впускное сопло 18 может быть сформировано посредством обработки шпинделя 11.
Фиг. 3 иллюстрирует третий вариант осуществления, который отличается от первого и второго вариантов осуществления тем, что впускное сопло 18 обеспечивается в неподвижном корпусе 2 и соединяется с внешней трубкой 25 для подачи масла во впускное отверстие 18, например, посредством насоса 26. Насос 26 может быть расположен и приспособлен исключительно для накачки масла во впускное отверстие 18 или он также может являться насосом для смазочного масла двигателя внутреннего сгорания. Впускное сопло 18 в третьем варианте осуществления также обеспечивается во второй концевой части 2b, чтобы масляная пленка могла течь вдоль всей поверхности 4 внутренней стенки или вдоль большей ее части.
В третьем варианте осуществления, диаметр отверстия впускного сопла 18 составляет от 0,3 до 1,5 мм, предпочтительно, от 0,4 до 1,0 мм, например, 0,5 мм. В этом случае масло может подаваться во впускное сопло 18 под давлением 3-бар.
Более того, в третьем варианте осуществления, приводной элемент заменяется и состоит из отдельного двигателя, например, электродвигателя 27, соединенного со шпинделем 11 для вращения шпинделя 11 и центробежного ротора 9. Отдельный двигатель может, в качестве альтернативы, являться отдельным пневматическим двигателем или отдельным гидравлическим двигателем. Шпиндель 11 и центробежный ротор 9 также могут приводиться в действие посредством коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.
Настоящее изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления и может изменяться и модифицироваться в пределах объема последующей формулы изобретения.