УПРАВЛЕНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫМ СЕПАРАТОРОМ
CENTRIFUGAL SEPARATOR CONTROL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области центробежных сепараторов для очистки газа, содержащего жидкие примеси. В частности, настоящее изобретение относится к очистке картерных газов двигателя внутреннего сгорания от частиц масла.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Хорошо известно, что смесь жидкостей, имеющих различные плотности, может быть разделена друг от друга с использованием центробежного сепаратора. Одно конкретное применение такого сепаратора заключается в отделении масла от газа, выпускаемого из картера, образующего часть двигателя внутреннего сгорания.
Что касается этого конкретного использования сепараторов, может быть тенденция к утечке газа высокого давления, находящегося в камерах сгорания двигателя внутреннего сгорания, через соответствующие поршневые кольца в картер двигателя. Эта непрерывная утечка газа в картер может привести к нежелательному увеличению давления в картере и, как следствие, к необходимости выпуска газа из корпуса. Такой газ, выпускаемый из картера, как правило, несет некоторое количество моторного масла (в виде капель или мелкого тумана), которое поднимается из резервуара масла, удерживаемого в картере.
Для того чтобы выпускаемый газ мог быть введен во впускную систему, без введения нежелательного масла (в частности, в систему с турбо наддувом, где на эффективность работы компрессора может отрицательно влиять присутствие масла), необходимо очистить выпускаемый газ (т.е. удалить масло, переносимое газом) до того, как газ будет введен во впускную систему. Этот процесс очистки может осуществляться центробежным сепаратором, который установлен на картере или рядом с ним, и который направляет очищенный газ во впускную систему и направляет отделенное масло обратно в картер. Пример такого сепаратора раскрыт, например, в патенте США 8,657,908. Центробежный сепаратор может приводиться в действие, например, турбинным колесом, вращаемым посредством струи масла из смазочной масляной системы двигателя внутреннего сгорания, или посредством электрического двигателя.
Однако дизельный двигатель, например, на грузовом автомобиле, может иметь различную рабочую нагрузку, от холостого хода двигателя в состоянии покоя до полного крутящего момента при движении вверх по склону с полной нагрузкой. Таким образом, в данной области техники существует потребность в удобных устройствах, которые могут адаптировать работу центробежного сепаратора к потребностям двигателя в очистке картерного газа.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основной целью настоящего изобретения является обеспечение центробежного сепаратора с электроприводом для очистки газа, имеющего упрощенное оперативное управление.
Согласно первому аспекту изобретения, предложен центробежный сепаратор для очистки газа, содержащего загрязняющие вещества, при этом центробежный сепаратор содержит:
- неподвижный корпус, заключающий разделительное пространство, через которое допускается поток газа;
- впуск для газа, проходящий через неподвижный корпус, и позволяющий подачу газа, который должен быть очищен;
- вращающийся элемент, содержащий множество разделительных элементов, расположенных в разделительном пространстве, и расположенных с возможностью вращения вокруг оси (X) вращения;
- выпуск для газа, выполненный с возможностью выпуска очищенного газа, и содержащий выпускное отверстие через стенку неподвижного корпуса;
- дренажное отверстие, выполненное с возможностью выпуска жидких примесей, отделенных от очищаемого газа;
- электрический двигатель для вращения вращающегося элемента; и
при этом центробежный сепаратор дополнительно содержит:
блок управления, который выполнен с возможностью управления работой электрического двигателя и для приведения в действие электрического двигателя, по меньшей мере, в двух различных режимах работы и для дополнительного переключения между режимами работы, в зависимости, по меньшей мере, от информации, по меньшей мере, от одного измеренного внутреннего параметра электрического двигателя.
Загрязнения в газе могут содержать жидкие примеси, такие как масло и сажа.
Следовательно, центробежный сепаратор может быть предназначен для отделения жидких примесей, таких как масло, от газа. Газ может быть картерным газом двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, центробежный сепаратор может быть приспособлен для очистки картерного газа, поступающего от дизельного двигателя, такого как дизельный двигатель на грузовом автомобиле. Сепаратор может быть дополнительно приспособлен для установки на двигатель, такой как дизельный двигатель. Однако центробежный сепаратор также может быть пригоден для очистки газов из других источников, например, окружающей среды механических станков, которая часто содержит большое количество жидких примесей в виде капель масла или масляного тумана.
Неподвижный корпус центробежного сепаратора может содержать окружающую боковую стенку, а также первую и вторую торцевые стенки, которые заключают разделительное пространство. Неподвижный корпус может иметь цилиндрическую форму с круглым сечением, имеющим радиус R от оси (X) вращения до окружающей боковой стенки. Этот радиус R может быть постоянным, по меньшей мере, в отношении большей части окружности окружающей боковой стенки. Неподвижный корпус также может быть слегка коническим. Таким образом, первая и вторая торцевые стенки могут образовывать верхнюю торцевую стенку и нижнюю торцевую стенку корпуса цилиндрической формы.
Впуск для газа центробежного сепаратора может проходить через первую торцевую стенку или через окружающую боковую стенку вблизи первой торцевой стенки, таким образом, в верхней части сепаратора, так что газ, поступающий через впуск для газа, направляется в разделительное пространство. Дренажное отверстие может быть расположено во второй торцевой стенке, например, в нижней части сепаратора. Таким образом, дренажное отверстие может быть расположено по центру в торцевой стенке, противоположной торцевой стенке, через которую проходит или в которой расположен впуск. Дренажное отверстие центробежного сепаратора может быть дополнительно образовано несколькими точечными отверстиями в неподвижном корпусе или одним дренажным проходом. Дренажное отверстие может быть расположено по оси вращения или центрировано по оси вращения. Дренажное отверстие также может находиться в кольцевой канавке для сбора на внутренней торцевой стенке неподвижного корпуса. Выпуск для газа может быть расположен в окружающей боковой стенке неподвижного корпуса или, например, может быть расположен в торцевой стенке, такой как торцевая стенка, противоположная торцевой стенке, через которую или на которой расположен впуск для газа.
Вращающийся элемент расположен для вращения во время работы посредством электрического двигателя. Вращающийся элемент содержит множество разделительных элементов, расположенных в разделительном пространстве. Разделительные элементы вращающегося элемента являются примерами вставок с расширяющейся поверхностью, которые способствуют отделению загрязняющих веществ от газа. Таким образом, разделительные элементы могут быть выполнены с возможностью увеличения площади осаждения в разделительном пространстве. Вращающийся элемент может содержать более 10, например, более 20, например, более 50, например, более 100 разделительных элементов. Разделительные элементы могут быть расположены таким образом, чтобы два смежных разделительных элемента были разнесены на расстояние, которое составляет менее 10 мм, например, менее 5 мм, например, менее 2 мм, например, менее 1 мм.
Разделительные элементы могут представлять собой стопку разделительных дисков. Разделительные диски из стопки могут быть в форме усеченного конуса. Диск в форме усеченного конуса может иметь плоский участок, проходящий в плоскости, которая является перпендикулярной оси вращения, и участок в форме усеченного конуса, который может проходить вверх или вниз. Плоский участок может быть ближе к оси вращения, чем участок в форме усеченного конуса. Дополнительно, диски из стопки могут быть радиальными дисками, в которых, по существу, весь диск проходит в плоскости, перпендикулярной оси вращения.
Также следует понимать, что разделительные элементы, такие как разделительные диски, не обязательно должны быть расположены в стопке. Разделительное пространство может, например, содержать осевые диски или пластины, которые проходят вокруг оси вращения. Осевые диски или пластины могут быть плоскими, то есть проходить в плоскостях, параллельных оси вращения. Осевые диски или пластины также могут иметь слегка или значительно изогнутую форму, такую как дугообразная или спиральная форма, если смотреть в радиальной плоскости.
Во время работы, очищаемый газ может направляться центрально через множество разделительных элементов, например, центрально через стопку разделительных дисков. В такой конфигурации, вращающийся элемент может дополнительно образовывать центральное пространство, образованное, по меньшей мере, одним сквозным отверстием в каждом из разделительных элементов. Это центральное пространство соединено с впуском для газа и выполнено с возможностью подачи очищаемого газа из впуска для газа в зазоры между разделительными элементами, например, между зазорами между дисками стопки разделительных дисков. Разделительный диск, который может быть использован в качестве разделительного элемента, может содержать центральный, по существу, плоский участок, перпендикулярный оси вращения. Этот участок может содержать сквозные отверстия, которые образуют центральное пространство.
Таким образом, центробежный сепаратор может быть выполнен с возможностью проведения картерных газов от впуска в центральный участок вращающегося элемента. Таким образом, картерные газы могут быть "прокачаны" от центрального участка вращающегося элемента в промежутки между разделительными дисками в стопке разделительных дисков посредством вращения вращающегося элемента. Таким образом, центробежный сепаратор может работать в соответствии с принципом совпадающего потока, в котором газ протекает в стопку дисков от радиальной внутренней части к радиальной наружной части, который является противоположным сепаратору, работающему в соответствии с принципом противопотока, в котором газ направляется в центробежный ротор на периферии ротора и направляется к центральной части ротора.
Электрический двигатель может быть, главным образом, электродвигателем любого подходящего типа, например, электрическим двигателем постоянного тока или электрическим двигателем переменного тока (синхронным электрическим двигателем или асинхронным электрическим двигателем). В качестве примера, электрический двигатель может представлять собой синхронный двигатель, такой как бесщеточный электрический двигатель, имеющий ротор, который включает в себя постоянные магниты.
Электрический двигатель может быть расположен внутри неподвижного корпуса или снаружи неподвижного корпуса.
Кроме того, может быть использован электрический двигатель, который не имеет отдельных подшипников для опоры ротора двигателя. Вместо этого могут быть использованы для этой опоры уже имеющиеся и необходимые подшипники для вращающейся части. В качестве примера, электрический двигатель может быть расположен в неподвижном корпусе и имеет статор, который поддерживается неподвижным корпусом, и ротор, который состоит из части вращающегося элемента центробежного сепаратора, и который опирается относительно статора только через подшипники.
Такая конфигурация, например, более подробно поясняется в международной заявке на патент, опубликованной как WO 2004/001201.
Центробежный сепаратор дополнительно содержит блок управления, выполненный с возможностью управления работой электрического двигателя. Блок управления может содержать процессор и интерфейс ввода/вывода для связи с электрическим двигателем и для приема информации, например, от других частей сепаратора, например, от датчиков, расположенных на сепараторе, и/или, например, от двигателя, к которому подключен или установлен центробежный сепаратор.
Блок управления может дополнительно содержать компьютерные программные продукты для отправки эксплуатационных запросов на электрический двигатель. Компьютерная программа может быть предназначена для анализа полученной информации от двигателя и отправки эксплуатационных запросов к электрическому двигателю на основе такого анализа. Блок управления, по меньшей мере, способен управлять электрическим двигателем, так что он может приводить в действие сепаратор, по меньшей мере, в двух режимах работы. Режимы работы отличаются друг от друга, и блок управления может быть выполнен с возможностью приведения в действие центробежного сепаратора, по меньшей мере, в двух, например, по меньшей мере, в трех, например, по меньшей мере, в четырех разных режимах работы. Таким образом, управляющее оборудование может быть сконфигурировано для приведения в действие электрического двигателя на разных скоростях. Таким образом, блок управления может находиться в том же блоке, что и электрический двигатель, который может быть расположен внутри неподвижного корпуса или снаружи неподвижного корпуса. Однако, блок управления также может быть отдельным от электрического двигателя блоком. Таким образом, блок управления может быть отдельным блоком, расположенным вне неподвижного корпуса, тогда как электрический двигатель расположен внутри неподвижного корпуса, или, в качестве альтернативы, как электрический двигатель, так и блок управления расположены снаружи неподвижного корпуса, но как разные блоки.
Блок управления также выполнен с возможностью переключения между такими режимами работы на основе принятой информации, по меньшей мере, об одном измеренном внутреннем параметре электрического двигателя. «Внутренний параметр» относится к фактической работе электрического двигателя и может быть параметром, который может изменяться во времени во время работы электрического двигателя. Таким образом, блок управления может быть выполнен с возможностью приведения в действие электрического двигателя в первый режим работы и для измерения, по меньшей мере, одного внутреннего параметра на постоянной основе. Если значение измеренного параметра указывает на переключение в режимах работы, например, если измеренное значение выше или ниже определенного порогового значения или в пределах конкретного интервала, блок управления может переключать для приведения в действие электрического двигателя в другой режим работы. Однако блок управления может быть выполнен с возможностью не переключения между режимами работы немедленно, а вместо этого ожидать, чтобы увидеть временное поведение измеряемого параметра. Например, если значение измеренного внутреннего параметра указывает на переключение в режимах работы, блок управления может ожидать определенный период времени, например, от 5 до 30 с, например, от 5 до 15 с, и если значение измеренного внутреннего параметра по-прежнему указывает на переключение, блок управления может затем переключить в другой режим работы.
Время, в течение которого центробежный сепаратор работает в разных режимах, может, конечно, варьироваться и зависит от информации, по меньшей мере, об одном измеренном внутреннем параметре.
Блок управления может быть выполнен с возможностью переключения между режимами работы, зависящими исключительно от одного или нескольких таких внутренних параметров, и также может быть выполнен с возможностью переключения между режимами работы в зависимости от одного или нескольких таких внутренних параметров в сочетании с «внешними параметрами», т.е. параметрами, которые могут относиться к другим частям центробежного сепаратора или к двигателю, на котором установлен сепаратор.
Следовательно, центробежный сепаратор согласно изобретению работает в разных режимах работы, и переключение между режимами основано, по меньшей мере, на внутренних параметрах электрического двигателя. Первый аспект изобретения основан на понимании того, что сепаратор для обработки картерного газа может управляться в двух или более режимах работы, таких как две или более заранее установленные скорости, или два или более заранее определенных уровня крутящего момента. Если сепаратор может автоматически регулироваться, например, его скорость или крутящий момент от номинального уровня до, например, одного более низкого и/или одного более высокого уровня, рабочая нагрузка сепаратора может быть достаточно хорошо адаптирована к потребностям двигателя для очистки картерного газа. Дополнительно, изобретатель обнаружил, что, измеряя один или несколько внутренних параметров электрического двигателя, приводящего в действие сепаратор, можно определить, должен ли сепаратор оставаться работающим при номинальном рабочем режиме или переключиться для работы в другом режиме. Предпочтительным является использование внутренних параметров электрического двигателя для управления переключением между рабочими режимами, поскольку они являются легкодоступными, то есть электрический двигатель не требует использования внешних датчиков, проводов и/или соединений с другими частями, например, сепаратора или двигателя, на котором установлен сепаратор, для регулирования работы сепаратора.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения, по меньшей мере, два разных режима работы представляют собой, по меньшей мере, два разных режима приведения в действие электрического двигателя, в которых крутящий момент или скорость вращения электрического двигателя поддерживается на разных постоянных уровнях.
Таким образом, блок управления может быть выполнен с возможностью переключения между первой постоянной скоростью или уровнем крутящего момента и, в зависимости от измеренного внутреннего параметра электрического двигателя, переключения, по меньшей мере, на одну дополнительную постоянную скорость или уровень крутящего момента, например на вторую скорость или уровень крутящего момента. Блок управления может быть выполнен с возможностью переключения между несколькими различными уровнями постоянной скорости или крутящего момента, например, переключения между двумя, тремя, четырьмя или пятью или более уровнями постоянной скорости или уровнями крутящего момента.
Следовательно, по меньшей мере, два разных режима привода могут содержать, по меньшей мере, два разных уровня скорости, при которых скорость вращения поддерживается на разных постоянных уровнях.
Различные уровни скорости могут быть постоянными уровнями, которые отличаются более чем на 10%, например, более чем на 20%, например, более чем на 30%, например, более чем на 50%.
Различные уровни скорости могут быть постоянными уровнями, которые отличаются более чем на 2000 об/мин, например, более чем на 3000 об/мин, например, более чем на 4000 об/мин.
Дополнительно, по меньшей мере, два различных режима привода могут содержать первый уровень скорости при первой постоянной скорости вращения, и второй уровень скорости при второй постоянной скорости вращения, при этом вторая постоянная скорость вращения выше, чем первая постоянная скорость вращения, и при этом блок управления выполнен с возможностью переключения на второй уровень скорости, если, по меньшей мере, один измеренный внутренний параметр указывает, что существует повышенная потребность в очистке газа при работе на первом уровне скорости.
Таким образом, первая постоянная скорость вращения может быть номинальной скоростью центробежного сепаратора, тогда как вторая скорость вращения может быть более высокой скоростью, которая используется, когда существует повышенная потребность в очистке картерного газа.
Первая постоянная скорость вращения может, таким образом, содержать вращение вращающегося элемента со скоростью от 7500 до 12000 об/мин, а вторая постоянная скорость вращения может быть скоростью, которая более чем на 10% выше, чем первая постоянная скорость вращения, например, более чем 2000 об/мин выше, чем первая постоянная скорость вращения.
Однако следует понимать, что, по меньшей мере, два режима привода могут содержать множество различных уровней скорости, например, более трех различных уровней скорости, например, более пяти различных уровней скорости.
Дополнительно, по меньшей мере, два различных режима привода могут дополнительно содержать третий уровень скорости при третьей постоянной скорости вращения, причем третья постоянная скорость вращения ниже, чем первая постоянная скорость вращения, и при этом блок управления выполнен с возможностью переключения на третий уровень скорости, если, по меньшей мере, один измеренный внутренний параметр указывает, что существует пониженная потребность в очистке газа при работе на первом уровне скорости.
Третья постоянная скорость вращения может быть скоростью, которая более чем на 2000 об/мин ниже, чем первая постоянная скорость вращения, и, таким образом, может использоваться, когда существует уменьшенная потребность в очистке картерного газа. Такая уменьшенная потребность может, например, быть, когда двигатель, на котором установлен центробежный сепаратор, остановлен.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения, по меньшей мере, два различных режима привода содержат, по меньшей мере, два различных уровня крутящего момента, при которых крутящий момент электрического двигателя поддерживается на различных постоянных уровнях.
Таким образом, блок управления может быть выполнен с возможностью работы при фиксированных уровнях крутящего момента, тогда как скорость вращения может изменяться при различных режимах привода. Как обсуждалось выше в отношении различных уровней скорости, по меньшей мере, два различных режима привода могут содержать первый уровень крутящего момента, то есть номинальный уровень крутящего момента, используемый во время обычного вождения, второй уровень крутящего момента, превышающий первый уровень и используемый, когда имеется повышенная потребность в очистке картерного газа и, возможно, также третий уровень крутящего момента ниже, чем первый уровень крутящего момента, и используемый, когда существует уменьшенная потребность в очистке картерного газа. Однако следует понимать, что, по меньшей мере, два режима привода могут содержать множество различных уровней крутящего момента, например, более трех различных уровней крутящего момента, например, более пяти различных уровней крутящего момента.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения, по меньшей мере, один измеренный внутренний параметр электрического двигателя представляет собой потребление электроэнергии электрическим двигателем или электрический ток, протекающий через электрический двигатель.
Таким образом, внутренний параметр может представлять собой или содержать информацию о потреблении электроэнергии, например абсолютное энергопотребление за единицу времени. Внутренним параметром также может быть электрический ток через электрический двигатель, который, таким образом, связан с потреблением энергии. Электрический ток может, например, представлять собой абсолютную величину тока в единицу времени. Потребляемая мощность и электрический ток через электрический двигатель могут увеличиваться, когда существует повышенная потребность в очистке картерного газа.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения, по меньшей мере, один измеренный внутренний параметр электрического двигателя представляет собой временные флуктуации электрического тока через электрический двигатель.
Временные флуктуации электрического тока могут быть «пульсациями» в сигнале, соответствующем электрическому току, и могут быть измеренными флуктуациями, которые происходят менее чем за секунду. Временные флуктуации могут быть небольшими периодическими изменениями тока. Считается, что временные флуктуации электрического тока отличаются, когда существует низкая потребность в очистке картерного газа, по сравнению с тем, когда существует высокая потребность в очистке картерного газа.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения, по меньшей мере, один измеренный внутренний параметр электрического двигателя представляет собой температуру электрического двигателя.
Таким образом, температура электрического двигателя может отличаться, когда существует низкая потребность в очистке картерного газа, по сравнению с высокой потребностью в очистке картерного газа и, таким образом, может использоваться в качестве внутреннего параметра электрического двигателя для регулирования и определения в каком режиме работы должен работать сепаратор.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения, по меньшей мере, один измеренный внутренний параметр электрического двигателя представляет собой время от пуска электрического двигателя.
Таким образом, блок управления может быть приспособлен для регистрации времени работы электрического двигателя и использования этого параметра для регулирования того, в каком режиме работы должен работать сепаратор. В качестве примера, блок управления может быть выполнен с возможностью работы сепаратора в режиме работы, связанном с низкой потребностью в очистке картерного газа в течение периода времени от пуска электрического двигателя. Этот период времени может соответствовать периоду времени от пуска двигателя, на котором установлен сепаратор, то есть периоду времени, в течение которого двигатель работает на холостом ходу.
В вариантах осуществления первого аспекта изобретения, блок управления дополнительно выполнен с возможностью переключения между режимами работы, зависящими, по меньшей мере, от информации, по меньшей мере, об одном измеренном внутреннем параметре электрического двигателя, и от информации, по меньшей мере, об одном внешнем параметре, который не относится к электрическому двигателю.
Таким образом, блок управления может быть выполнен с возможностью регулирования работы сепаратора в различных режимах работы на основе информации как о внутренних параметрах электрического двигателя, как обсуждалось выше, так и информации об одном или нескольких внешних параметрах. Внешние параметры могут быть параметрами, которые не связаны с фактическим приводом электрического двигателя, такими как параметры, относящиеся к двигателю, на котором установлен сепаратор, или к фактическому сепаратору. Таким образом, центробежный сепаратор может содержать один или несколько датчиков для измерения таких внешних параметров и отправки информации в блок управления об измеренном параметре. Датчики могут содержать датчик, регистрирующий давление на впуске газа и/или выпуске газа из сепаратора.
В качестве примера, по меньшей мере, один внешний параметр выбирается из давления на впуске газа или температуры на впуске газа. Таким образом, центробежный сепаратор может содержать датчик давления и/или датчик температуры на впуске газа, и блок управления может быть выполнен с возможностью приема сигнала, относящегося к давлению и/или температуре газа на впуске газа, и регулирования привода сепаратора в различных режимах работы в зависимости, по меньшей мере, от одного внутреннего параметра электрического двигателя и полученной информации о давлении и/или температуре газа на впуске газа.
По меньшей мере, один внешний параметр также может содержать информацию, касающуюся возраста двигателя, на котором установлен сепаратор, поскольку старый двигатель обычно производит больше картерного газа. Таким образом, в вариантах осуществления, блок управления выполнен с возможностью приема сигнала, который относится ко времени, в течение которого работает двигатель, к которому может быть подключен центробежный сепаратор. Следовательно, блок управления может быть выполнен с возможностью учета возраста двигателя при регулировании электрического двигателя, например, так что электрический двигатель работает в рабочем режиме, который представляет собой повышенную очистку картерного газа, если двигатель старый, по сравнению с новым двигателем. Например, если рабочие режимы являются режимами движения на различных уровнях постоянной скорости, эти уровни постоянной скорости могут быть смещены к более высоким уровням постоянной скорости вращения, если блок управления принимает информацию о том, что двигатель старше определенного возраста.
Однако также следует понимать, что блок управления может быть выполнен с возможностью переключения между режимами работы, зависящими исключительно от информации, по меньшей мере, об одном измеренном внутреннем параметре электрического двигателя.
Согласно второму аспекту изобретения, предложен способ очистки газа, содержащего загрязняющие вещества, включающий этапы, при которых:
- обеспечивают центробежный сепаратор согласно первому аспекту изобретения,
- обеспечивают работу центробежного сепаратора посредством приведения в действие электрического двигателя в первый режим работы,
- измеряют, по меньшей мере, один внутренний параметр электрического двигателя, и
- переключают электрический двигатель для привода во втором режиме работы в зависимости, по меньшей мере, от информации, по меньшей мере, об одном измеренном внутреннем параметре электрического двигателя.
Термины и определения, используемые в отношении второго аспекта изобретения, являются такими, как обсуждено в отношении первого аспекта изобретения выше.
Этап работы центробежного сепаратора содержит вращение вращающегося элемента центробежного сепаратора.
Способ может дополнительно включать этапы, при которых:
- вводят газ, содержащий загрязняющие вещества во впуск для газа центробежного сепаратора; и
- выпускают очищенный газ через выпуск для газа центробежного сепаратора и выпускают загрязняющие вещества, отделенные от газа через дренажный выпуск центробежного сепаратора.
В вариантах осуществления второго аспекта изобретения, способ дополнительно включает этап, при котором переключают обратно привод в первый режим работы в зависимости, по меньшей мере, от информации, по меньшей мере, об одном измеренном внутреннем параметре электрического двигателя.
Таким образом, во время работы центробежного сепаратора, то есть во время работы двигателя, на котором установлен сепаратор, сепаратор может переключаться назад и вперед между рабочими режимами, например, назад и вперед, между различными уровнями скорости в зависимости от необходимости очистки картерного газа, как обсуждалось выше относительно первого аспекта.
В вариантах осуществления второго аспекта изобретения, этап переключения в другой режим работы также зависит от информации, по меньшей мере, об одном внешнем параметре, который не связан с электрическим двигателем.
Таким образом, как обсуждалось выше в связи с первым аспектом, этап переключения между режимами работы может зависеть как от внутренних параметров электрического двигателя, так и от внешних параметров, таких как давление и/или температура газа на впуске газа в центробежный сепаратор.
В качестве дополнительного аспекта изобретения, предложен компьютерный программный продукт, содержащий инструкции программного кода для выполнения способа согласно второму аспекту изобретения, когда упомянутая программа выполняется компьютером. В качестве примера, блок управления сепаратором может содержать такой компьютерный программный продукт.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 показывает сечение варианта осуществления центробежного сепаратора.
Фиг.2 показывает сечение варианта осуществления центробежного сепаратора.
Фигуры 3а-3d показывают различные типы разделительных элементов, которые могут быть использованы в центробежном сепараторе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Центробежный сепаратор и способ согласно настоящему описанию дополнительно проиллюстрированы нижеследующим описанием со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 показывает сечение центробежного сепаратора 1 сепараторного устройства. Центробежный сепаратор 1 содержит неподвижный корпус 2, который выполнен с возможностью установки на двигателе внутреннего сгорания (не раскрывается), особенно на дизельном двигателе, в подходящем положении, например, на верхней части двигателя внутреннего сгорания или на боковой поверхности двигателя внутреннего сгорания.
Следует отметить, что центробежный сепаратор 1 также может быть пригоден для очистки газов из других источников, чем двигатель внутреннего сгорания, например, окружающей среды механических станков, которые часто содержат большое количество жидких примесей в виде капель масла или масляного тумана.
Неподвижный корпус 2, заключает разделительное пространство 3, через которое допускается поток газа. Неподвижный корпус 2 содержит, или образован окружающей боковой стенкой 4, первой торцевой стенкой 5 (в вариантах осуществления раскрывается верхняя торцевая стенка), и второй торцевой стенкой 6 (в вариантах осуществления раскрывается нижняя торцевая стенка).
Центробежный сепаратор содержит вращающийся элемент 7, который выполнен с возможностью вращения вокруг оси Х вращения. Следует отметить, что неподвижный корпус 2 является неподвижным в отношении вращающегося элемента 7 и, предпочтительно, в отношении двигателя внутреннего сгорания, на котором он может быть установлен.
Неподвижный корпус 2 имеет радиус от оси Х вращения до окружающей боковой стенки 4, который является постоянным, по меньшей мере, в отношении большей части окружности окружающей боковой стенки 4. Таким образом, окружающая боковая стенка 4 имеет круговое или, по существу, круговое сечение.
Вращающийся элемент 7 содержит шпиндель 8 и стопку разделительных дисков 9, прикрепленных к шпинделю 8. Все разделительные диски из стопки 9 расположены между первой концевой пластиной 10 (в варианте осуществления раскрывается верхняя концевая пластина) и второй концевой пластиной 11 (в варианте осуществления раскрывается нижняя концевая пластина).
Шпиндель 8 и, следовательно, вращающийся элемент 7 поддерживаются с возможностью вращения в неподвижном корпусе 2 посредством первого подшипника 12 (в варианте осуществления, раскрытого как верхний подшипник) и второго подшипника 13 (в вариантах осуществления раскрытого как нижний подшипник), подшипники расположены по одному на каждой стороне стопки разделительных дисков 9. Верхний подшипник 12 поддерживается колпачком 19, который цилиндрической частью окружает верхний концевой участок вала центробежного ротора, то есть шпиндель 8, причем верхний концевой участок расположен в осевом направлении выше верхнего подшипника 12. Колпачок 19 также имеет кольцевой плоский участок 20, через который колпачок поддерживается перегородкой 21 в неподвижном корпусе 2. Плоский кольцевой участок 20 колпачка 19 снабжен сквозными отверстиями 22, через которые впускной канал 18 сообщается с центральным пространством 15.
В осевом направлении над верхним подшипником 12 колпачок 19 поддерживает на своей внутренней стороне, вокруг концевого участка шпинделя 8, статор 24, принадлежащий электрическому двигателю 23. Ротор 25, принадлежащий этому электрическому двигателю 23, поддерживается концевым участком вала центробежного ротора, то есть шпинделем 8. Узкая кольцевая прорезь 26 образована между статором 24 двигателя и ротором 25 двигателя. Как можно видеть, электрический двигатель 23 в этом варианте осуществления не имеет собственных подшипников, через которые его ротор 25 будет вращательно опираться в своем статоре 24. Вместо этого, два подшипника 12 и 13, через которые вращающийся элемент 7 опирается в неподвижном корпусе 2, используются для опоры ротора 25 электрического двигателя 23.
Разделительные диски из стопки 9 имеют форму усеченного конуса и проходят от шпинделя 8 наружу и вверх. Таким образом, разделительные диски содержат плоский участок 9а, который проходит перпендикулярно оси Х вращения, и конический участок 9b, который проходит наружу и вверх от плоского участка 9а.
Следует отметить, что разделительные диски также могут проходить наружу и вниз или даже радиально.
Разделительные диски из стопки 9 предусмотрены на расстоянии друг от друга посредством дистанцирующих элементов (не раскрытых) для образования зазоров 14 между смежными разделительными дисками 9, то есть зазор 14 между каждой парой смежных разделительных дисков 9. Осевая толщина каждого зазора 14 может, например, быть порядка 1-2 мм.
Разделительные диски из стопки 9 могут быть выполнены из пластика или металла. Количество разделительных дисков в стопке 9 обычно больше, чем указано на фиг.1, и может составлять, например, от 50 до 100 разделительных дисков 9 в зависимости от размера центробежного сепаратора.
Вращающийся элемент 7 образует центральное пространство 15. Центральное пространство 15 образовано отверстием в каждом из разделительных дисков 9. В вариантах осуществления по фиг.1, центральное пространство 15 образовано множеством сквозных отверстий 16, каждое из которых проходит через первую концевую пластину 10 и через каждый из разделительных дисков 9, но не через вторую концевую пластину 11. Сквозные отверстия расположены в плоских участках 9а разделительных дисков.
Центробежный сепаратор 1 содержит впуск 17 для газа для подачи очищаемого газа. Впуск 17 для газа проходит через неподвижный корпус 2, а точнее через первую торцевую стенку 5. Впуск 17 для газа сообщается с центральным пространством 15, так что очищаемый газ передается из впуска 17 через центральное пространство 15 в зазоры 14 стопки разделительных дисков 9. Впуск 17 для газа выполнен с возможностью сообщения с картером двигателя внутреннего сгорания или любым другим источником через впускной трубопровод 18, позволяющий подавать картерный газ из картера во впуск 17 для газа и далее в центральное пространство 15 и зазоры 14 как объяснялось выше.
Центробежный сепаратор содержит дренажное отверстие 29, выполненное с возможностью выпуска жидких примесей, отделенных от газа, и выпуск 30 для газа, выполненный с возможностью выпуска очищенного газа. Дренажное отверстие в этом варианте осуществления выполнено в виде канала во второй торцевой стенке 6, но дренажное отверстие 29 также может иметь форму сквозных отверстий, расположенных в нижней торцевой стенке 6, так что отделенные жидкие примеси протекают через второй подшипник 13, когда они сливаются из разделительного пространства 3. Кроме того, выпуск 30 для газа в этом варианте осуществления расположен во второй торцевой стенке 6 на радиальном расстоянии, которое короче радиального расстояния до дренажного выпуска 29, но выпуск для газа также может быть расположен, например, в окружающей боковой стенке 4.
Посредством блока 28 управления, скорость вращения и, следовательно, эффективность очистки центробежного сепаратора может быть отрегулирована подходящим образом, чтобы обеспечить требуемую очистку подаваемого газа. Это достигается посредством соединения 27, которое проходит в неподвижный корпус 1 и далее через колпачок 19 в статор 24 двигателя. Это соединение 27 также может быть использовано для питания электрического двигателя 23 током. Блок 28 управления включает в себя устройство для привода электрического двигателя 23 с различными скоростями. Различные виды устройств для регулирования скорости двигателей (как двигателей постоянного тока, так и двигателей переменного тока) хорошо известны. Для двигателя постоянного тока может использоваться простое устройство для контроля напряжения. Для двигателя переменного тока могут использоваться различные виды оборудования для контроля частоты.
Блок 28 управления может дополнительно содержать интерфейс 31 связи, такой как передатчик/приемник, через который он может принимать данные от электрического двигателя и различных датчиков, или двигателя, к которому подключен сепаратор, и дополнительно передавать данные на электрический двигатель 23.
Полученные данные могут, например, включать данные об измеренном давлении от датчика 32 давления на впуске 17 для газа, как указано пунктирной стрелкой «А. Переданные данные могут, например, включать в себя управляющий сигнал для управления скоростью электрического двигателя 23.
Блок 28 управления дополнительно выполнен с возможностью осуществления способа управления электрическим двигателем 28 согласно раскрытым здесь вариантам осуществления. Для этой цели блок 28 управления может содержать блок 33 обработки, такой как центральный блок обработки, который выполнен с возможностью выполнения инструкций компьютерного кода, которые, например, могут храниться в памяти 34. Память 34 может, таким образом, образовывает (не кратковременный) машиночитаемый носитель для хранения таких инструкций компьютерного кода. Блок 33 обработки может альтернативно быть в форме аппаратного компонента, такого как специализированная интегральная матрица, программируемая пользователем вентильная матрица или тому подобное.
В этом варианте осуществления, блок 28 управления является отдельным блоком от центробежного сепаратора 1. Однако блок управления также может быть частью сепаратора, например, образующей часть электрического двигателя 23. Таким образом, блок управления со всеми его функциями может быть расположен на электрическом двигателе, например, соединен со статором 24, поддерживаемым колпачком 19.
Во время работы, вращающийся элемент 17 поддерживается во вращении за счет подачи тока на электрический двигатель 23, а загрязненный газ, например, картерный газ из картера двигателя внутреннего сгорания подается к впуску 17 для газа через трубопровод 18. Этот газ направляется далее в центральное пространство 15 и оттуда в и через промежутки 14 между разделительными дисками стопки 9. В результате вращения вращающегося элемента 7, газ приводится во вращение, в результате чего он далее перекачивается радиально наружу через зазоры или промежутки 14.
Во время вращения газа в промежутках, твердые или жидкие частицы, взвешенные в газе, отделяются от него. Частицы оседают на внутренней стороне конических участков 9b разделительных дисков и скользят или бегут по ним радиально наружу. Когда частицы и/или капли жидкости достигают внешних краев разделительных дисков, они выбрасываются из ротора и ударяются о внутреннюю поверхность окружающей стенки 4 неподвижного корпуса 2. Частицы проходят вниз вдоль этой стенки и покидают разделительное пространство 3 через дренажное отверстие 29, тогда как газ, освобожденный от частиц и выходящий из стопки разделительных дисков 9, покидает корпус 1 через выпуск 30 для газа. Путь газа через центробежный сепаратор 1 схематично показан стрелками «С» на фиг.1.
Как обсуждалось выше, блок 28 управления управляет скоростью вращения вращающейся части посредством отправки сигнала на электрический двигатель 23. В этом варианте осуществления, блок управления выполнен с возможностью управления электрическим двигателем для привода в трех разных режимах привода; первый режим привода, имеющий первую постоянную скорость вращения от 7500 до 12000 об/мин и представляющий номинальную скорость сепаратора, второй режим привода, имеющий вторую постоянную скорость вращения, которая примерно на 2000 об/мин выше первой постоянной скорости вращения, и третий режим привода, имеющий третью постоянную скорость вращения, которая примерно на 2000 об/мин ниже первой постоянной скорости вращения.
В следующем примере иллюстрируется, как работает центробежный сепаратор посредством переключения назад и вперед между тремя режимами привода в зависимости от измеренного электрического тока через электрический двигатель 23, когда центробежный сепаратор 1 соединен с дизельным двигателем грузового автомобиля:
Запуск двигателя с последующим холостым ходом двигателя
Когда двигатель грузового автомобиля запускается, блок 28 управления приводит в действие электрический двигатель 23 в первом режиме привода, то есть он разгоняется до номинальной скорости. Поскольку двигатель грузового автомобиля работает на холостом ходу и количество картерного газа низкое, ток через электрический двигатель 23 уменьшается, например, ниже заданного порогового значения. Блок 28 управления имеет дополнительную информацию о времени, прошедшем с момента запуска электрического двигателя 23, и на основе этой информации он регулирует работу электрического двигателя в третьем режиме привода, то есть при более низкой постоянной скорости вращения, поскольку количество выделяемого картерного газа является относительно низким.
Начало движения грузовика
Когда грузовой автомобиль начинает двигаться, количество картерного газа увеличивается. Следовательно, ток через электрический двигатель 23 увеличивается, чтобы поддерживать фактическую третью постоянную скорость вращения. При получении информации об увеличенном токе через электрический двигатель 23, блок 28 управления регулирует электрический двигатель 23 так, чтобы он работал в первом режиме привода, то есть вращался со своей номинальной скоростью на первом уровне постоянной скорости.
Движение в гору
Если грузовой автомобиль въезжает на подножие холма и начинает подниматься, крутящий момент двигателя увеличивается. Это, в свою очередь, означает, что количество картерного газа увеличивается, что приводит к более высокой потребляемой мощности и, следовательно, большему току через электрический двигатель 23 для поддержания скорости вращения на первом уровне постоянной скорости. В этом случае, блок 28 управления получает постоянную информацию об увеличенном токе через электрический двигатель 23 и, если ток все еще увеличивается после определенного периода времени, например 10 с, после обнаружения начала увеличения тока, блок 28 управления регулирует электрический двигатель 23 таким образом, чтобы он работал во втором режиме привода, то есть вращался со вторым уровнем постоянной скорости, который является выше номинальной скорости.
Нормальное движение снова
Грузовой автомобиль уже поднялся в гору, и количество картерного газа снова стало нормальным. Отсюда, измеренный ток через электрический двигатель 23, уменьшается и блок 28 управления регулирует электрический двигатель 23 так, чтобы он снова работал в первом режиме привода, то есть вращался со своей номинальной скоростью на первом уровне постоянной скорости.
Холостой ход снова
Когда грузовой автомобиль стоит на месте, блок управления получает информацию о том, что уменьшенный ток через электрический двигатель 23 необходим для поддержания скорости вращения на первом уровне постоянной скорости. Если измеренный ток еще уменьшается после определенного периода времени, например, 10 с после обнаружения начала уменьшения тока, блок 28 управления регулирует электрический двигатель 23 таким образом, чтобы он работал в третьем режиме привода снова, то есть вращался с третьим уровнем постоянной скорости, который является ниже номинальной скорости.
В приведенном выше примере, переключение между различными уровнями скорости основано исключительно на внутреннем параметре электрического двигателя 23, то есть на токе, проходящем через электрический двигатель, но блок 28 управления также может дополнительно использовать информацию от датчика 32, т.е. информацию от давления газа на впуске 17 для газа, для принятия решения о необходимости переключения уровня скорости. В качестве примера, блок управления может переключаться на более высокий уровень скорости, если измеренный ток через электрический двигатель 23 и давление газа на впуске газа увеличивается, и может переключаться на более низкий уровень скорости, если измеренный ток через электрический двигатель и давление газа на впуске газа уменьшается.
В качестве альтернативы, электрический двигатель 23 типа, показанного на фиг.1, может быть расположен вокруг удлинения шпинделя 8 под нижним подшипником 13. Также возможно расположить двигатель в пространстве в осевом направлении между верхним подшипником 12 и первой концевой пластиной 10, или в осевом направлении между нижним подшипником 13 и второй концевой пластиной 11. Также может быть использован электрический двигатель, имеющий дискообразный круговой ротор и статор, образованный таким образом, что он расположен в осевом направлении с обеих сторон ротора.
Фиг.2 показывает пример варианта осуществления центробежного сепаратора, в котором электрический двигатель 23 расположен на удлинении шпинделя 8 в осевом направлении над верхней стенкой 5 неподвижного корпуса 2. В качестве альтернативы, электрический двигатель 23 также может быть расположен на удлинении шпинделя 8 в осевом направлении под нижней торцевой стенкой 6 неподвижного корпуса 2.
Таким образом, в показанном варианте осуществления, статор и ротор электрического двигателя 23 расположены вне неподвижного корпуса 2. Дополнительно, блок 28 управления выполнен в виде части электрического двигателя 23, но функционирует, как описано в отношении варианта осуществления, показанного на фиг.1. Все остальные функции являются такими же, как описано в отношении варианта осуществления, показанного на фиг.1, то есть ссылочные позиции обозначают те же детали.
В вариантах осуществления, показанных на фиг.1 и фиг.2, вращающийся элемент 7 для очистки газа снабжен стопкой конических разделительных дисков обычного типа. Однако изобретение не ограничивается вращающимся элементом или центробежным ротором именно этого типа, но может быть использовано в сочетании с любым подходящим центробежным ротором для освобождения газа от взвешенных в нем частиц.
Фигуры 3a-3d показывают несколько примеров разделительных дисков, которые могут быть использованы в центробежном сепараторе по настоящему изобретению. Для ясности проиллюстрировано только несколько дисков, и следует понимать, что в действительности присутствует большее количество дисков, так что расстояние между дисками намного меньше.
Фиг.3а показывает пример дисков 35 в форме усеченного конуса, имеющих плоский участок 9а и участок 9b в форме усеченного конуса. Плоский участок 9а проходит в плоскости, которая является перпендикулярной оси (Х) вращения, и в этом варианте осуществления участок 9b в форме усеченного конуса проходит вверх. Плоский участок 9а находится ближе к оси вращения, чем участок 9b в форме усеченного конуса. Плоский участок 9а и/или участок 9b усеченного конуса могут содержать сквозные отверстия для газа.
Фиг.3b показывает пример дисков 35 в форме усеченного конуса, имеющих плоский участок 9а и участок 9b в форме усеченного конуса. Плоский участок 9а проходит в плоскости, которая является перпендикулярной оси (Х) вращения, а участок 9b в форме усеченного конуса проходит вниз. Плоский участок 9а находится ближе к оси вращения, чем участок 9b в форме усеченного конуса. Плоский участок 9а и/или участок 9b усеченного конуса могут содержать сквозные отверстия для газа.
Фиг.3с показывает пример стопки дисков, в которой все диски 36 являются плоскими, то есть все диски 36 проходят в плоскости, перпендикулярной оси (Х) вращения. Диски 36 могут содержать сквозные отверстия для газа.
Фиг.3d показывает пример осевых дисков или пластин 37. Эти пластины 37 являются слегка изогнутыми, то есть имеют изогнутую форму, если смотреть в радиальной плоскости. Другими словами, они изогнуты, если смотреть в плоскости, перпендикулярной оси (Х) вращения. Осевые диски 37 могут содержать сквозные отверстия для газа.
Изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления, а может изменяться и модифицироваться в пределах объема последующей формулы изобретения. Изобретение не ограничивается ориентацией оси (X) вращения, раскрытой на фигурах. Термин «центробежный сепаратор» также включает центробежные сепараторы с практически горизонтально ориентированной осью вращения.