ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СЕПАРАТОР
CENTRIFUGAL SEPARATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к центробежному сепаратору для очистки картерных газов из двигателя внутреннего сгорания.
Уровень техники
Картерные газы из двигателя внутреннего сгорания вентилируются из картера двигателя соответствующего двигателя внутреннего сгорания. Картерные газы могут быть удалены безвредным для окружающей среды способом, вместо того, чтобы быть вентилируемыми в атмосферу. Существуют некоторые юридические нормативные требования, которые не позволяют картерным газам от некоторых типов двигателей внутреннего сгорания вентилироваться в атмосферу.
Картерные газы могут содержать среди прочих выдуваемых газов, нефть, другие жидкие углеводороды, сажу и другие твердые остатки продуктов сгорания. Для того чтобы избавиться от картерных газов подходящим образом, газ отделяется от масла, сажи и других загрязнений. Отделенный газ может быть введен в воздухозаборник двигателя внутреннего сгорания, а масло может быть введено обратно в поддон двигателя внутреннего сгорания, например, через масляный фильтр для удаления сажи и других твердых остатков из масла.
Патент США 7875098 раскрывает центробежный сепаратор для очистки картерных газов. Центробежный сепаратор содержит стационарный корпус, образующий внутреннее пространство, шпиндель, и вращающийся элемент, который прикреплен к шпинделю и выполнен с возможностью вращения вокруг оси вращения. Вращающийся элемент содержит ряд усеченных конических сепарирующих дисков, которые предусмотрены во внутреннем пространстве.
Сепарирующие диски, или разделительные диски центробежного сепаратора расположены в виде дисковой стопки с небольшими промежутками между разделительными дисками. В случае разделения картерных газов, тяжелые составляющих картерных газов, такие как нефть и сажа, прижимаются против внутренних поверхностей сепарационных дисков  и образуют капли, которые перемещаются вдоль сепарационных дисков  в направлении внешней периферии дисковой стопки. Капельки забрасываются на внутреннюю стенку корпуса центробежного сепаратора и выводятся из центробежного сепаратора через выпуск  для масла. Чистые картерные газы выводятся из центробежного сепаратора через выпуск  для газа.
Небольшие промежутки между разделительными дисками в дисковой стопке центробежного сепаратора для картерных газов могут быть заблокированы при определенных обстоятельствах, когда много сажи и липких частиц образуется в двигателе внутреннего сгорания, например, из-за высокой EGR (рециркуляции выхлопных газов) или из-за существенного износа двигателя внутреннего сгорания. В частности, на внутренней периферии сепарационных дисков , сажа и/или другие твердые остатки сгорания могут накапливаться вместе с маслом и/или другими углеводородами. Впуск газообразных продуктов сгорания в промежутки между разделительными дисками в дисковой стопке, таким образом, может быть затруднен. Соответственно, производительность разделения центробежного сепаратора может быть уменьшена.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является предотвращение накопления сажи и других твердых осадков горения на внутренней периферии сепарационных дисков  центробежного сепаратора для очистки картерных газов.
Согласно одному аспекту изобретения, задача решается посредством центробежного сепаратора, сконфигурированного для очистки картерных газов из двигателя внутреннего сгорания, при этом центробежный сепаратор содержит стационарный корпус и ротор, с возможностью вращения расположенный внутри стационарного корпуса. Стационарный корпус содержит впуск для картерных газов, выпуск  для газа и выпуск  для жидкости. Ротор содержит стопку сепарационных дисков , при этом каждый сепарационный диск из стопки сепарационных дисков  имеет центральную ось и усеченную коническую форму, содержащую внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность. Периферийная внутренняя концевая поверхность продолжается между внутренней поверхностью и внешней поверхностью. Периферийная внутренняя концевая поверхность, по меньшей мере, одного сепарационного диска  из стопки сепарационных дисков  содержит, по существу, плоский первый участок поверхности, продолжающийся под углом, по меньшей мере, 20 градусов к центральной оси.
Дополнительно, стопка сепарационных дисков  расположена так, что периферийная внутренняя концевая поверхность находится выше по потоку от (перед) промежутка между дисками в дисковой стопке. Это означает, что картерные газы, подаваемые в сепаратор, встречают периферийную внутреннюю концевую поверхность до введением между дисками в дисковой стопке.
Так как первый участок поверхности периферийной внутренней концевой поверхности, по меньшей мере, одного сепарационного диска  продолжается под углом поверхности, по меньшей мере, 20 градусов к центральной оси, поверхность, параллельная центральной оси, т.е. поверхность, перпендикулярная к центробежным силам, действующим на картерные газы в центробежном сепараторе, исключается. Соответственно, сажа и другие твердые осадки горения с маслом и другими углеводородами будут скользить вдоль первого участка поверхности в промежуток смежного сепарационного диска . В результате, вышеупомянутая задача достигнута.
Было установлено изобретателем, что обеспечение периферийной внутренней концевой поверхности сепарационного диска  под углом к центральной оси сепарационного диска  будет предотвращать накопление сажи и других твердых остатков сгорания на внутренней торцевой поверхности. Благодаря угловой внутренней торцевой поверхности и центробежной силе, действующей на масло и другие углеводороды, смешанные с сажей и другими твердыми остатками сгорания, масло и другие углеводороды в смеси с сажей и другими твердыми остатками сгорания на внутренней торцевой поверхности будут скользить вдоль внутренней торцевой поверхности в промежутке между разделительными дисками.
Согласно вариантам осуществления, по существу, плоский первый участок поверхности продолжается под углом, по меньшей мере, 30 градусов к центральной оси, например, при угле, по меньшей мере, 45 градусов к центральной оси, например, при угле, по меньшей мере, 60 градусов к центральной оси, например, при угле 75 градусов к центральной оси.
Двигатель внутреннего сгорания может быть сконфигурирован для приведения в движение транспортного средства, или может быть стационарным двигателем внутреннего сгорания, например, приводящим в действие генератор для генерирования электрической энергии. Центробежный сепаратор выполнен с возможностью отделения тяжелых составляющих картерных газов, таких как нефть, другие углеводороды, сажу, а также другие твердые продукты сгорания из газов картерных газов, таких как газы сгорания и воздуха. Между разделительными дисками в дисковой стопке образован промежуток. Картерные газы входят в промежутки из центрального участка дисковой стопки. Когда ротор вращается с дисковой стопкой, тяжелые составляющие прижимаются против внутренней поверхности сепарационных дисков  и перемещаются в обычных условиях в виде капель вдоль сепарационных дисков  по направлению к внешней периферии дисковой стопки. С сепарационных дисков  капли перемещаются к внутренней стенке стационарного корпуса. Капли накапливаются на внутренней стенке и выводятся из центробежного сепаратора через выпуск  для жидкости. Чистые картерные газы выводятся из центробежного сепаратора через выпуск  для газа.
Согласно вариантам осуществления, угол конусности, по меньшей мере, одного сепарационного диска  образован между центральной осью и внутренней поверхностью, по меньшей мере, одного сепарационного диска . Угол, продолжающийся между центральной осью и первым участком поверхности, может указывать в направлении, противоположном к углу конусности. Таким образом, нефть и другие углеводороды, смешанные с сажей и другими твердыми остатками сгорания на внутренней торцевой поверхности, будут скользить вдоль внутренней торцевой поверхности в направлении внешней поверхности, по меньшей мере, одного сепарационного диска  и в промежуток между разделительными дисками.
Согласно вариантам осуществления, кромка, имеющая максимальный радиус 0,15 мм может быть образована по радиально внутреннему периметру, по меньшей мере, одного сепарационного диска  на переходе между первым участком поверхности и внутренней поверхностью или внешней поверхностью. Таким образом, любой, по существу, участок поверхности на внутренней периферии, по меньшей мере, одного сепарационного диска , продолжающийся параллельно с центральной осью, может быть обойден.
Согласно вариантам осуществления, разделительные диски из стопки сепарационных дисков  могут быть изготовлены из формуемого литьем под давлением пластичного материала. Таким образом, разделительные диски могут быть экономически эффективно получены путем литья под давлением.
Согласно вариантам осуществления, по меньшей мере, один сепарационный диск может содержать периферийную внешнюю концевую поверхность, продолжающуюся между внутренней поверхностью и внешней поверхностью. Диск в дисковой стопке может быть расположен так, что периферийная внешняя концевая поверхность находится за и радиально внешне от периферийной внутренней концевой поверхности. Периферийная внешняя концевая поверхность может содержать, по существу, плоский второй участок поверхности, продолжающийся, по существу, параллельно с центральной осью. Таким образом, может быть обеспечена большая площадь диска на внутренней стороне, по меньшей мере, одного сепарационного диска , чем, если внешняя торцевая поверхность будет в значительной степени продолжаться под прямым углом к центральной оси. Таким образом, площадь разделения может быть обеспечена.
Согласно вариантам осуществления, внешняя поверхность, по меньшей мере, одного сепарационного диска  может быть снабжена дистанционными элементами, выполненными с возможностью примыкания к внутренней поверхности соседнего сепарационного диска , и выполненными с возможностью обеспечения расстояния между, по меньшей мере, одним разделительным диском и смежным с ним разделительным диском в стопке сепарационных дисков . Таким образом, могут быть обеспечены последовательные промежутки между смежными разделительными дисками.
Согласно вариантам осуществления, центробежный сепаратор может быть выполнен с возможностью проведения картерных газов от впуска  в центральный участок ротора. Таким образом, картерные газы могут быть "прокачаны" от центрального участка ротора в промежуток между разделительными дисками в стопке сепарационных дисков  посредством вращения ротора. Таким образом, центробежный сепаратор может работать в соответствии с принципом совпадающего потока, в котором газ протекает в дисковую стопку 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.
Согласно вариантам осуществления, ротор может содержать шпиндель, а центробежный сепаратор может содержать приводное устройство, выполненное с возможностью вращения шпинделя. Таким образом, ротор может быть вращающимся. Примерами соответствующего приводного устройства являются электрический двигатель, пневматический двигатель, гидравлический двигатель, турбина, приводимая в действие посредством картерных газов, масла или другой жидкости, или зубчатой передачей, соединенной с соответствующей вращающейся частью, такой как распределительный вал, насос, или вентилятор.
Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными при изучении прилагаемой формулы изобретения и нижеследующего подробного описания.
Краткое описание чертежей
Различные аспекты изобретения, включая его специфические признаки и преимущества, будут легко поняты из вариантов осуществления, рассмотренных в следующем подробном описании и прилагаемых чертежах, на которых:
Фиг.1 иллюстрирует сечение через центробежный сепаратор согласно вариантам осуществления, и
Фиг. 2A-2C каждая иллюстрирует сечение через участок стопки сепарационных дисков  согласно вариантам осуществления.
Подробное описание
Аспекты настоящего изобретения будут теперь описаны более полно. Одинаковые ссылочные позиции относятся к идентичным элементам повсюду. Хорошо известные функции или конструкции не обязательно описываются подробно для краткости и/или ясности.
Фиг.1 иллюстрирует сечение через центробежный сепаратор 20 согласно вариантам осуществления. Центробежный сепаратор 20 сконфигурирован для очистки картерных газов, выходящих из двигателя внутреннего сгорания. Центробежный сепаратор 20 содержит стационарный корпус 1 и ротор 4, вращательно расположенный внутри стационарного корпуса 1. Стационарный корпус 1 образует внутреннее пространство 2ʹ. Стационарный корпус 1 имеет поверхность 1а внутренней стенки, которая обращена к внутреннему пространству 2', и поверхность 1b внешней стенки, которая обращена внешне к окружающей среде центробежного сепаратора 20. Стационарный корпус 1 содержит впуск 13 для картерных газов, выпуск  15 для газа для очищенного газа, и выпуск  16 для жидкости для тяжелых составляющих картерных газов, таких как нефть и сажа. Внутреннее пространство 2' имеет верхний конец 11 и нижний конец 12. Впуск 13 для картерных газов продолжается через корпус 1 в верхнем конце 11 во внутреннее пространство 2'. В этих вариантах осуществления, выпуск  15 для газа и выпуск  16 для жидкости предусмотрены в непосредственной близости к нижнему концу 12.
Ротор 4 содержит стопку сепарационных дисков  5. Каждый сепарационный диск 5 из стопки сепарационных дисков  имеет центральную ось Х и форму усеченного конуса, содержащего внутреннюю поверхность, см. снизу обращаясь к фигурам 2а-2с. Ротор 4 содержит шпиндель 3. Шпиндель 3 опирается на два подшипника, верхний подшипник 8 шпинделя и нижний подшипник 9 шпинделя. Центробежный сепаратор 20 содержит приводное устройство 10, выполненное с возможностью вращения шпинделя 3. Приводное устройство 10 в данном варианте осуществления предусмотрено в отдельном пространстве 2'' ниже внутреннего пространства 2'. Приводное устройство 10 содержит турбину 10а, которая приводится в действие маслом от соответствующего двигателя внутреннего сгорания. Таким образом, ротор 4 приводится во вращение во внутреннем пространстве 2ʹ. Настоящее изобретение не ограничено приводным устройством 10, иллюстрированным на фиг.1, но может быть любым подходящим приводным устройством, которое описано выше.
Картерные газы, которые должны быть очищены, подаются в центробежный сепаратор 20 через впуск 13. Центробежный сепаратор 20 выполнен с возможностью проведения картерных газов от впуска  13 к центральному участку ротора 4. Из центрального участка картерные газы вводятся в промежуток между разделительными дисками 5. Когда картерные газы поступают во внутреннее пространство 2' и приводятся во вращение ротором 4, тяжелые компоненты будут примыкать к разделительным дискам 5, и посредством центробежной силы будут выбрасываться от внешней периферии ротора 4 против поверхности 1а внутренней стенки стационарного корпуса 1. Газ, который, таким образом, очищен и, таким образом, по существу, полностью освобожден от тяжелых компонентов, затем передается вниз во внутреннем пространстве 2' и наружу через выпуск  15 для газа. Тяжелые компоненты текут по поверхности 1а внутренней стенки вниз в кольцевую канавку 17 для сбора и наружу через выпуск  16 для жидкости.
x
Фиг.2A иллюстрирует сечение через участок стопки сепарационных дисков  5 согласно вариантам осуществления. Участок стопки сепарационных дисков  5 выполнен с возможностью образования части ротора 4 центробежного сепаратора, сконфигурированного для очистки картерных газов, поступающих из двигателя внутреннего сгорания. Полная стопка сепарационных дисков  такого центробежного сепаратора может содержать, например, 20-150 сепарационных дисков . Упоминается исключительно в качестве примера, сепарационный диск 5 может иметь диаметр приблизительно 100 мм, толщину приблизительно 0,35 мм (не включая любые промежуточные элементы), а промежутки между соседними разделительными дисками 5 могут составлять приблизительно 0,3 мм. Каждый сепарационный диск из стопки сепарационных дисков  имеет центральную ось  и форму усеченного конуса, содержащего внутреннюю поверхность 22 и внешнюю поверхность 24. Промежутки образованы между внутренними поверхностями 22 и внешними поверхностями 24 соседних дисков.
α
x
x
α
x
Периферийная внутренняя концевая поверхность 26 продолжается между внутренней поверхностью 22 и внешней поверхностью 24. Периферийная внутренняя концевая поверхность 26 находится выше по потоку от (перед) промежутка, образованного между дисками 5 в дисковой стопке. Периферийная внутренняя концевая поверхность 26, по меньшей мере, одного сепарационного диска  5 из стопки сепарационных дисков  содержит, по существу, плоский первый участок 28 поверхности, продолжающийся под углом, по меньшей мере, 20 градусов к центральной оси . Таким образом, первый участок 28 поверхности не является параллельным с центральной осью  и, таким образом, сажа и другие частицы не накапливаются на внутренней поверхности 26, так как они будут скользить вдоль участка внутренней поверхности в промежуток между разделительными дисками 5. Периферийная внутренняя концевая поверхность 26 каждого сепарационного диска  5 из стопки сепарационных дисков  может содержать, по существу, плоский первый участок 28 поверхности, продолжающийся под углом , по меньшей мере, 20 градусов к центральной оси .
β
x
α
x
β
β
α
x
α
β
β
β
Угол  конусности, по меньшей мере, одного сепарационного диска  5 образован между центральной осью  и внутренней поверхностью 22, по меньшей мере, одного сепарационного диска  5. Угол , продолжающийся между центральной осью  и первым участком 28 поверхности, указывает в направлении, противоположном углу  конусности. В альтернативных вариантах осуществления угол  конусности может указывать в том же самом направлении, что и угол , продолжающийся между центральной осью  и первым участком 28 поверхности. Очевидно, что в таких вариантах осуществления угол  должен быть меньше, чем угол  конусности. В этих вариантах осуществления угол  конусности является приблизительно 45 градусов. В альтернативных вариантах осуществления угол  конусности может быть меньше, или больше.
α, β
Кромка 30, имеющая максимальный радиус 0,15 мм образована по радиально внутреннему периметру, по меньшей мере, одного сепарационного диска  5 при переходе между первым участком 28 поверхности и внутренней поверхностью 22. В альтернативных вариантах осуществления, обсуждаемых выше, с углами , указывающими в одинаковом направлении, кромка 30, имеющая максимальный радиус 0,15 мм, вместо этого образована по радиально внутреннему периметру, по меньшей мере, одного сепарационного диска  5 при переходе между первым участком 28 поверхности и внешней поверхностью 24. Кромка 30 может иметь, по существу, меньший радиус, чем 0,15 мм. Кромка 30 может даже быть, по существу, острой.
x
x
x
По меньшей мере, один сепарационный диск 5 содержит периферийную внешнюю концевую поверхность 32, продолжающуюся между внутренней поверхностью 22 и внешней поверхностью 24, по меньшей мере, одного сепарационного диска  5. Периферийная внешняя концевая поверхность 32 содержит, по существу, плоский второй участок 34 поверхности, продолжающийся, по существу, параллельно с центральной осью . Периферийная внешняя концевая поверхность 32 каждого сепарационного диска  5 из стопки сепарационных дисков  может содержать, по существу, плоский второй участок 34 поверхности, продолжающийся, по существу, параллельно с центральной осью . Кроме того, обсуждаемое выше предоставление большей площади разделения, по существу, плоского второго участка 34 поверхности, продолжающегося по существу параллельно с центральной осью  также обеспечивает преимущества при изготовлении сепарационных дисков  5, путем литья под давлением.
x
Соответственно, разделительные диски 5 могут быть изготовлены литьем под давлением из пластического материала, такого как Полиамид66 (PA66), полипропилен, или другого подходящего материала. Разделительные диски 5 могут содержать волокнистый материал, например, стекловолокно в пластиковом материале. Когда сепарационный диск 5 изготавливается литьем под давлением, пластичный материал вводится в штамп, образованный охватывающей половиной и охватываемой половиной. Для обеспечения надежного производства сепарационных дисков , крайне важно, чтобы каждый литой сепарационный диск оставался в одной и той же половине штампа, когда две половины разделяются. По существу, плоской второй участок 34 поверхности, продолжающийся, по существу, параллельно с центральной осью  сепарационного диска  5, образовывается в охватывающей половине штампа. Расширение второго участка поверхности может гарантировать, что каждый сепарационный диск остается в охватывающей половине штампа, когда охватывающая и охватываемая половины штампа разделяются.
Внешняя поверхность 24, по меньшей мере, одного сепарационного диска  5 снабжена дистанционными элементами 36, выполненными с возможностью примыкания к внутренней поверхности 22 смежного сепарационного диска  5 в дисковой стопке. Каждый сепарационный диск 5 в стопке сепарационных дисков  может быть снабжен такими дистанционными элементами 36 (не показаны на фиг.2а), для обеспечения последовательных промежутков между смежными разделительными дисками 5 в стопке. Дистанционные элементы 36 могут, например, иметь прямоугольную, квадратную, круглую или овальную форму. Помимо обеспечения промежутков между разделительными дисками 5, дистанционные элементы 36 также обеспечивают преимущества при изготовлении сепарационных дисков  5 путем литья под давлением. Так как дистанционные элементы 36 предусмотрены на внешней поверхности 24, дистанционные элементы 36 будут образованы в охватывающей половине штампа. Соответственно, дистанционные элементы 36 могут сцепляться с охватывающей половиной и могут гарантировать, что каждый сепарационный диск 5 остается в охватывающей половине, когда охватывающая и охватываемая половины штампа разделяются.
α
x
Фигуры 2B и 2C каждая иллюстрирует сечение через участок стопки сепарационных дисков  5 согласно вариантам осуществления. Участок стопки сепарационных дисков  5 выполнен с возможностью образования части ротора 4 центробежного сепаратора, сконфигурированного для очистки картерных газов. Разделительные диски 5 этих вариантов осуществления имеют сходство во многом с разделительными дисками 5 вариантов осуществления в связи с фиг.2A. Снова, периферийная внутренняя концевая поверхность 26 продолжается между внутренней поверхностью 22 и внешней поверхностью 24 каждого сепарационного диска  5. Периферийная внутренняя концевая поверхность 26, по меньшей мере, одного сепарационного диска  5 из стопки сепарационных дисков  содержит, по существу, плоский первый участок 28 поверхности, продолжающийся под углом к центральной оси .
Главное отличие с вариантами осуществления по фиг.2а будет рассмотрено ниже.
α
x
α
В варианте осуществления по фиг.2B, первый участок 28 поверхности продолжается под углом , по меньшей мере, 45 градусов к центральной оси . Более острый угол  может быть, таким образом, обеспечен, чем в вариантах осуществления по фиг.2A. Таким образом, сажа и другие продукты сгорания могут быть даже менее подвержены к накоплению на внутренней периферии сепарационных дисков  5.
x
α
x
В вариантах осуществления по фиг.2C, первый участок 28 поверхности продолжается, по существу, перпендикулярно к центральной оси . То есть, угол  является, по существу, 90 градусов. Таким образом, по существу, отсутствует участок поверхности периферийной внутренней концевой поверхности 26, продолжающийся между внутренней и внешней поверхностями 22, 24 вдоль центральной оси . Таким образом, поверхность, на которой сажа и другие продукты сгорания могут накапливаться, не предусмотрена в этих вариантах осуществления.
Это изобретение не должно быть истолковано как ограниченное вариантами осуществления, изложенными в данном документе. Специалисты в данной области техники должны понимать, что различные признаки вариантов осуществления, раскрытые в данном документе, могут быть объединены для создания вариантов осуществления, отличных от тех, которые описаны в настоящем документе, без отхода от объема настоящего изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения. Разделительные диски 5 альтернативно могут быть изготовлены из листового металла, такого как алюминий.
Несмотря на то, что изобретение было описано со ссылкой на примеры вариантов осуществления, различные изменения, модификации и т.п. станут очевидными для специалистов в данной области техники. Таким образом, следует понимать, что вышеприведенное является иллюстрацией различных примеров вариантов осуществления, и что изобретение определяется только прилагаемой формулой изобретения.
Как используется в данном документе, термин "содержащий" или "содержит" является неограничивающим и включает в себя один или несколько указанных признаков, элементов, этапов, компонентов или функций, но не исключает наличия или добавления одного или нескольких других признаков, элементов, этапов, компонентов, функции или их групп.