Способ очистки картерного газа и сепаратор для очистки газа
Изобретение относится к двигателестроению и м.б. использовано для очистки картерного газа ДВС. Сепаратор содержит центробежный ротор, который закреплен в корпусе на двух разнесенных по оси подшипниках. Центробежный ротор вращается с использованием части его в качестве ротора электродвигателя. Электродвигатель имеет статор, который не вращается и питается электрическим током для вращения центробежного ротора, причем центробежный ротор закреплен в течение своего вращения только на указанных двух подшипниках. Приведен способ очистки картерного газа. Изобретение позволяет создать более компактное оборудование для привода центробежного ротора. 1 ил. 3 н. и 6 з.п. ф-лы.
Настоящее изобретение относится к способу очистки картерного газа, произведенного двигателем внутреннего сгорания, от взвешенных в газе твердых и/или жидких частиц, при котором посредством центробежного ротора, который для своего действия закреплен в корпусе в двух крепежных местах, разнесенных по оси друг от друга, организуют поток картерного газа сквозь невращающийся корпус с вращением в нем вокруг оси (R) вращения.
Способ очистки картерного газа этим путем описан в WO 01/36103. Используется центробежный сепаратор, имеющий центробежный ротор, включающий множество конических дисков сепарации и закрепленный на обоих концах по обе стороны от этого множества дисков. Центробежный ротор вращается в неподвижном корпусе, причем картерный газ, предназначенный для очистки, течет сквозь тонкие промежутки между дисками сепарации из центральной камеры в роторе радиально по отношению к ротору в камеру, окружающую ротор в неподвижном корпусе. Двигатель любого пригодного типа присоединен к центробежному ротору на одном из концов последнего для его вращения в неподвижном корпусе.
В последние годы для очистки картерного газа предложены центробежные сепараторы относительно современного типа, например вышеупомянутый центробежный сепаратор. Центробежные сепараторы этого типа сравнительно дороги для производства, что делает необходимым снижение затрат на изготовление приводного устройства такого центробежного сепаратора. Один отправной пункт при выборе привода центробежного сепаратора этого типа заключается, следовательно, в том, что уже существующий источник энергии, которая непрерывно поддерживается двигателем внутреннего сгорания, выделяющим картерный газ, который нужно подвергать очистке, должен быть применим простым возможным путем в качестве привода. Таким образом, предложено, чтобы механическая связь была установлена между одним из валов двигателя, например коленчатым валом или распределительным валом, и центробежным ротором (смотри, например, US 5,954,035). Другое предложение заключалось в том, что нужно использовать электродвигатель (смотри, например, WO 01/36103). Дальнейшее предложение состояло в том, что находящаяся под давлением жидкость в двигателе внутреннего сгорания, например часть сжатого смазочного масла, циркулирующего в двигателе, должна быть использована для привода центробежного ротора посредством простого турбинного устройства (например, смотри WO 99/56883).
В дополнение к затратам на производство приводного устройства для центробежного ротора также следует рассмотреть другие аспекты выбора приводного устройства. Например, надо рассмотреть, как приводная энергия может быть передана к центробежному ротору самым простым и дешевым путем. По этим причинам, среди прочего, в настоящее время все еще не ясно, какой тип приводного устройства для центробежного ротора будет принят в будущем для решения указанной задачи, особенно в связи с множеством двигателей внутреннего сгорания для движения транспортных средств.
Цель настоящего изобретения заключается, во-первых, в том, чтобы предоставить новый способ очистки картерного газа посредством центробежного ротора, с использованием недорогого и как можно более компактного оборудования для привода центробежного ротора, включающего необходимые устройства для передачи приводной энергии от источника энергии к центробежному ротору, и обеспечивающего, насколько возможно, большую свободу расположения центробежного ротора по отношению к двигателю внутреннего сгорания.
Эта цель может быть достигнута согласно изобретению, посредством придания вращения центробежному ротору (2) с использованием части его внутри корпуса (1) в качестве ротора (19) электродвигателя, содержащего статор (18), причем указанный статор (18) расположен без возможности вращения внутри корпуса (1) и питается электрическим током для вращения центробежного ротора (2), в то время как центробежный ротор (2), включая ту его часть, которая используется в качестве ротора электродвигателя, закреплен посредством подшипников в процессе своего вращения только в двух крепежных местах.
Согласно изобретению используется электродвигатель, не имеющий отдельных подшипников для закрепления ротора двигателя. Для этого закрепления использованы уже существующие и необходимые подшипники центробежного ротора. Поскольку центробежный ротор предназначен для обработки газа и, следовательно, может быть сделан, по существу, полностью из очень легкого материала, электродвигатель может быть выполнен сравнительно небольшим, и тем самым его ротор также может быть сделан очень легким. По этим соображениям может быть сделан очень легкий комбинированный центробежный ротор, являющийся также ротором двигателя, и таким образом стоимость его закрепления может быть сведена к минимуму.
Когда указанный способ применяется согласно изобретению, центробежный ротор не обязательно должен быть сформирован так, чтобы предназначенный для очистки картерный газ протекал по каналам внутри центробежного ротора. Вместо этого центробежный ротор может быть устроен так, чтобы вызывать вращение внутри неподвижного корпуса газа, текущего в тонком слое по оси сквозь кольцевидное пространство, сформированное между центробежным ротором и неподвижным корпусом.
В каждом из двух указанных крепежных мест предусмотрен подшипник для приема радиальных сил, возникающих при вращении центробежного ротора. В случае, если центробежный ротор приспособлен для вращения вокруг вертикальной оси вращения, на одном из крепежных мест может присутствовать подшипник, предназначенный для приема осевых сил. Возможно использование радиально-упорного подшипника, приспособленного для приема как радиальных, так и осевых сил.
Изобретение также относится к сепаратору для очистки газа, посредством которого, например, может быть осуществлен вышеописанный способ очистки картерного газа. Сепаратор этого типа включает невращающийся корпус, имеющий вход для неочищенного газа и выход для очищенного газа, центробежный ротор, размещенный в корпусе, и электродвигатель для вращения центробежного ротора вокруг оси вращения, при этом центробежный ротор закреплен в корпусе на подшипниках, расположенных на двух крепежных местах, разнесенных по оси друг от друга, причем центробежный ротор имеет тело ротора с устройством сепарации, образующим несколько проходов сквозь тело ротора для сквозного потока газа, предназначенного для очистки, причем центробежный ротор размещен в корпусе таким образом, что вышеуказанные проходы сообщаются с вышеуказанным входом первыми концами и с вышеуказанным выходом противоположными концами. Сепаратор характеризуется тем, что электродвигатель размещен в пределах корпуса и имеет статор, который поддерживается корпусом, и ротор, который образован частью вышеуказанного центробежного ротора и закреплен относительно статора только на указанных подшипниках.
Указанное устройство сепарации может быть различных типов. Патент DE 48615 раскрывает некоторые примеры такого устройства. Таким образом, устройство сепарации может содержать несколько дисков, установленных на кольце вокруг оси вращения центробежного ротора, причем каждый диск простирается как по оси вращения, так и от малого до большего расстояния от упомянутой оси вращения в направлении, пересекающем несколько радиусов, начинающихся на оси вращения. Кроме того, устройство сепарации может содержать единственный диск, обвитый по спирали вокруг вышеуказанной оси вращения таким образом, что газ, предназначенный для очистки, может течь по оси через канал, который при рассмотрении в сечении перпендикулярно к оси вращения простирается подобно спирали. Также возможно заполнять пространство сепарации в центробежном роторе волокнами, между которыми формируются упомянутые проходы сквозь тело ротора. Тем не менее, устройство сепарации предпочтительно включает несколько конических дисков сепарации, размещенных коаксиально относительно вышеуказанной оси вращения.
Вышеуказанный корпус предпочтительно образован частью стационарного каркаса, с которым он неподвижно связан. Тем не менее, при необходимости весь корпус может освобождаться вращением из стационарного каркаса, чтобы свободно выполнять маятниковое движение относительно каркаса.
Могут быть предусмотрены различные типы крепления центробежного ротора в корпусе. Так, два крепежных места могут располагаться на оси с одной стороны тела ротора. Тем не менее, в предпочтительном варианте осуществления изобретения тело ротора размещено по оси между двумя крепежными местами. В этом случае ротор электродвигателя предпочтительно расположен с одной стороны, а тело ротора расположено с другой стороны одного из крепежных мест.
В случае необходимости одна часть указанного тела ротора может составить вышеупомянутую часть центробежного ротора, который используется как ротор в электродвигателе. Тогда статор двигателя может окружать или быть окруженным этой частью тела ротора в большем или меньшем радиусе, например в половине радиуса, равного максимальному радиусу тела ротора. В конкретной реализации изобретения основная часть тела ротора может быть расположена между двумя крепежными местами, тогда как часть тела ротора может окружать одно крепежное место, простираясь по оси после него, и поддерживать ротор электродвигателя в области с другой стороны этого крепежного места по отношению к основной части тела ротора.
В варианте выполнения может быть предусмотрено, что часть центробежного ротора, расположенную по оси с одной стороны каждого из указанных крепежных мест, используют в качестве ротора электродвигателя.
Электродвигатель, как указано выше, может в принципе быть любого пригодного типа, например постоянного тока или переменного тока (синхронный двигатель или асинхронный двигатель). Предпочтительно используется синхронный двигатель, имеющий ротор, содержащий постоянные магниты.
Изобретение будет описано более подробно ниже со ссылкой на сопутствующий чертеж, в котором показано продольное сечение сепаратора для очистки газа, посредством которого может быть выполнена очистка картерного газа в соответствии с изобретением.
Сепаратор для очистки газа на фиг.1 имеет неподвижный корпус 1, в котором центробежный ротор 2 вращается вокруг вертикальной оси R вращения. Центробежный ротор 2 имеет центральный вал 3 и тело ротора, связанные между собой. Тело ротора включает верхнюю коническую конечную стенку 4, нижнюю коническую конечную стенку 5 и большое количество конических дисков 6 сепарации, расположенных по оси между конечными стенками 4, 5. Диски 6 сепарации, соответственно выполненные из пластмассы, предусмотрены с несколькими разделительными членами (не показаны) на одной стороне, которые упираются в смежные диски сепарации и создают зазоры между дисками сепарации. Верхняя конечная стенка 4 и каждый диск 6 сепарации предусмотрены с множеством сквозных отверстий в их центральных частях, распределенных вокруг оси R вращения. Через эти отверстия промежуточные пространства между дисками 6 сепарации могут сообщаться с входной камерой 7, расположенной в верхней части корпуса 1, причем эта камера имеет вход 8 для газа, предназначенного для очистки в сепараторе.
Вокруг центробежного ротора 2 имеется кольцевидная камера 9, сформированная в неподвижном корпусе 1 и имеющая первый выход 10 для очищенного газа и второй выход 11 для твердых и/или жидких частиц, отделенных от газа.
Центробежный ротор 2 сепаратора с возможностью вращения закреплен в корпусе 1 посредством верхнего подшипника 12 и подшипника 13, причем указанные подшипники размещены по одному на каждой стороне тела ротора, то есть по меньшей мере основная часть тела 4-6 ротора размещена по оси между указанными двумя подшипниками. Верхний подшипник 12 поддерживается колпачком 14, который цилиндрической частью окружает верхний конечный участок вала 3 центробежного ротора, причем указанный верхний конечный участок расположен выше верхнего подшипника 12. Колпачок 14 также имеет кольцевидный плоский участок 15, посредством которого колпачок поддерживается перегородкой 16 в неподвижном корпусе 1. Плоский кольцевидный участок 15 колпачка предусмотрен со сквозными отверстиями 17, через которые входная камера 7 сообщается с внутренностью центробежного ротора 2.
Над верхним подшипником 12 центробежного ротора колпачок 14 поддерживает на своей внутренней стороне, вокруг указанного конечного участка вала 3 центробежного ротора статор 18, принадлежащий электродвигателю. Ротор 19, принадлежащий этому двигателю, опирается на конечный участок вала 3 центробежного ротора. Между статором 18 двигателя и ротором 19 двигателя образована узкая кольцевидная щель. Провод 20 для питания электродвигателя током протягивается сверху в корпус 1 и далее через колпачок 14 в статор 18 двигателя, при этом ротор 19 электродвигателя расположен с одной стороны, и по меньшей мере основная часть тела 4-6 ротора расположена с другой стороны одного из указанных подшипников.
Устройство очистки, показанное на чертеже, действует следующим образом.
Пока центробежный ротор 2 поддерживается во вращении подачей тока в электродвигатель 18, 19, загрязненный газ, например газ из картера двигателя внутреннего сгорания, поступает на вход 8 для газа. Этот газ проводится далее сквозь входную камеру 7 в центральную часть центробежного ротора 2 и оттуда внутрь и сквозь промежутки между дисками 6 сепарации. В результате вращения центробежного ротора газ приводится во вращение, посредством чего он направляется радиально от центра сквозь указанные промежутки.
В течение вращения газа в упомянутых промежутках твердые или жидкие частицы, взвешенные в газе, отделяются от него. Частицы осаждаются на внутренние стороны дисков 6 сепарации и вслед за тем соскальзывают или стекают по ним радиально от центра. Когда частицы и/или капли жидкости достигают внешних краев дисков 6 сепарации, они выбрасываются из ротора и ударяются о стенку окружающего ротор неподвижного корпуса 1. Частицы продолжают двигаться вниз вдоль этой стенки и покидают корпус через выход 11 для частиц, в то время как газ, освобожденный от частиц и вышедший в камеру 9 вокруг центробежного ротора 2, покидает корпус 1 через газовый выход 10.
Как можно видеть, описанный электродвигатель не имеет собственных подшипников, через которые его ротор с возможностью вращения закреплен в статоре. Вместо этого для закрепления ротора двигателя используются два подшипника 12 и 13, через которые ротор 2 сепаратора закреплен в неподвижном корпусе 1.
В показанном варианте осуществления изобретения неподвижный корпус 1 составляет неподвижное опорное устройство для центробежного ротора, а также для ротора 19 двигателя. Если требуется, центробежный ротор 2 и его два подшипника 12 и 13 могут быть подвешены на невращающемся, но подвижном опорном устройстве, которое, в свою очередь, подвижно закреплено на неподвижном корпусе 1. Например, подвижное опорное устройство этого типа может быть подвешено в корпусе 1 через полусферическое тело, лежащее в полусферической чаше, которая сформирована в верхней части корпуса. Тогда опорное устройство может выполнять маятниковые движения относительно неподвижного корпуса, не вращаясь относительно его вокруг оси R вращения.
Возможно большее число частей центробежного ротора соответственно выполнено из какого-либо легкого материала, например пластмассы. Таким образом, предпочтительно, две конечные стенки 4 и 5 и диски 6 сепарации, а также члены (не показаны), соединяющие эти части центробежного ротора с его центральным валом 3, сделаны из пластмассы. По возможности даже вал 3 может быть сделан из пластмассы, например из усиленной волокнистой пластмассы, но вал может также производиться без металла с приданием ему необходимой жесткости.
По крайней мере один из показанных подшипников 12 и 13 может быть выполнен как подшипник скольжения.
Оба подшипника 12 и 13 предназначены для приема радиальных сил. Соответственно один из них сформирован как радиально-упорный подшипник, так что он может надлежащим образом воспринимать даже неизбежные осевые силы, чтобы поддерживать центробежный ротор 2. Если это возможно и если издержки на изготовление двух подшипников 12 и 13 могут быть тем самым в значительной степени уменьшены, то центральный вал 3 центробежного ротора может быть отчасти расширен вниз и может лежать непосредственно на отдельной поддержке, если вращение центробежного ротора 2 сопровождается очень малыми силами трения. В устройстве этого типа поддержка, принимающая осевые силы, не должна рассматриваться как один из двух подшипников, определенных в последующих пунктах, если она принимает, по существу, только осевые силы.
Посредством управляющего оборудования (не показано) скорость вращения и, следовательно, эффективность очистки центробежного ротора может управляться доступным путем, пошаговым или непрерывным, так что достигается необходимая очистка поданного газа.
В показанном примере центробежный ротор 2 для очистки газа снабжен коническими дисками 6 сепарации стандартного типа. Тем не менее, изобретение не ограничено центробежным ротором именно этого типа, но может быть использовано с любым пригодным центробежным ротором для освобождения газа от взвешенных в нем частиц. Также может быть предусмотрено, что указанное устройство сепарации содержит пакет конических дисков 6 сепарации, которые размещены коаксиально с указанной осью R вращения.
Электродвигатель типа, показанного на чертеже, может, кроме того, быть размещен около расширения вала 3 под нижним подшипником 13. Также можно разместить двигатель в пространстве по оси между одним из подшипников 12, 13 и самим телом ротора. Для получения вращающего момента желаемой величины для привода центробежного ротора 2 возможно придание как ротору, так и статору электродвигателя большего диаметра, чем показано на чертеже. В этом случае часть верхней или нижней конечной стенки 4 или 5 центробежного ротора может быть использована как ротор электродвигателя. Также можно формировать ротор и статор двигателя в виде кольцевидной плоскости или конических тел, размещенных по оси напротив друг друга. Может быть использован даже электродвигатель, имеющий круглый ротор в виде диска и статор, сформированный так, чтобы располагаться по оси с обеих сторон ротора.
1. Способ очистки картерного газа, произведенного двигателем внутреннего сгорания, от взвешенных в нем твердых и/или жидких частиц, при котором формируют поток картерного газа внутри невращающегося корпуса (1) и обеспечивают вращение потока газа вокруг оси (R) вращения посредством центробежного ротора (2), который закреплен в корпусе (1) в двух крепежных местах, разнесенных на расстояние друг от друга по оси, отличающийся тем, что часть центробежного ротора (2), который вращается внутри корпуса (1), также является ротором (19) электродвигателя, при этом электродвигатель содержит статор (18), причем указанный статор удерживают невращающимся в корпусе (1) и снабжают электрическим током для вращения центробежного ротора (2), при этом центробежный ротор (2) и его часть, используемую в качестве ротора электродвигателя, удерживают во время вращения только в указанных двух крепежных местах.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть центробежного ротора (2), расположенную по оси с одной стороны каждого из указанных крепежных мест, используют в качестве ротора (19) электродвигателя.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что создают вращение центробежного ротора (2) вокруг, по существу, вертикальной оси (R) вращения.
4. Сепаратор для очистки газа от взвешенных в нем твердых и/или жидких частиц, содержащий невращающийся корпус (1), имеющий вход (8) для неочищенного газа и выход (10) для очищенного газа, центробежный ротор (2), размещенный в корпусе (1), и электродвигатель, предназначенный для вращения центробежного ротора (2) вокруг оси (R) вращения, причем центробежный ротор (2) закреплен в корпусе (1) посредством подшипников (12, 13), расположенных на двух крепежных местах, разнесенных по оси друг от друга, при этом центробежный ротор (2) имеет тело (4-6) ротора с устройством сепарации, в котором сформировано несколько проходов через тело ротора для сквозного потока газа, предназначенного для очистки, и центробежный ротор (2) размещен в корпусе (1) таким образом, что вышеуказанные проходы сообщаются с вышеуказанным входом (8) первыми концами и с вышеуказанным выходом (10) противоположными концами, отличающийся тем, что электродвигатель размещен в пределах корпуса (1) и содержит статор (18), который поддерживается корпусом (1), и ротор (19), который образован частью вышеуказанного центробежного ротора (2) и закреплен относительно статора (18) только на указанных подшипниках (12, 13).
5. Сепаратор очистки газа по п.4, отличающийся тем, что, по меньшей мере, основная часть тела (4-6) ротора размещена по оси между указанными двумя подшипниками.
6. Сепаратор очистки газа по п.5, отличающийся тем, что ротор (19) электродвигателя расположен с одной стороны, и, по меньшей мере, основная часть тела (4-6) ротора расположена с другой стороны одного из указанных подшипников.
7. Сепаратор очистки газа по любому из пп.4-6, отличающийся тем, что центробежный ротор (2) закреплен с возможностью вращения вокруг, по существу, вертикальной оси (R) вращения.
8. Сепаратор очистки газа по любому из пп.4-6, отличающийся тем, что указанное устройство сепарации содержит пакет конических дисков (6) сепарации, которые размещены коаксиально с указанной осью (R) вращения.
9. Применение сепаратора для очистки газа по любому из пп.4-8 в качестве сепаратора для очистки картерного газа двигателя внутреннего сгорания.
