Центробежный сепаратор
Изобретение обносится к устройству для очистки картерного газа. Предложено устройство (1) для очистки загрязненного газа от двигателя внутреннего сгорания, содержащее центробежный сепаратор (2) с центробежным ротором (3), который выполнен с возможностью обеспечения вращения загрязненного газа. Центробежный ротор (3) содержит пакет сепарационных дисков (6) усеченной конической формы, расположенных с соответствующим интервалом, так что они ограничивают между собой промежуточные пространства (7) для газа, который протекает через них. Выпускная камера (11) расположена по центру внутри пакета сепарационных дисков (6), за счет этого центробежный ротор (3) выполнен с возможностью противоточной сепарации. Центробежный сепаратор содержит газовыпускной патрубок (13), который сообщается с выпускной камерой (11) и который может выпускать очищенный газ из центробежного ротора. Пакет сепарационных дисков (6) расположен для вращения в пространстве (4), образованном внутри двигателя внутреннего сгорания и размещенном с возможностью приема загрязненного газа, для чего промежуточные пространства (7) между сепарационными дисками (6) сообщаются непосредственно с пространством (4), при этом газовыпускной патрубок (13) размещен с возможностью направления очищенного газа из пространства через стенку (5), которая разграничивает пространство. Изобретение обеспечивает повышение эффективности очистки картерных газов. 19 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к устройству для очистки загрязненного газа от двигателя внутреннего сгорания, то есть картерного газа, выдуваемого из картера двигателя внутреннего сгорания. Устройство содержит центробежный сепаратор для удаления загрязняющих веществ, находящихся во взвешенном состоянии в загрязненном газе в виде твердых или жидких частиц. Картерный газ обычно содержит загрязняющие вещества в виде твердых частиц в выхлопных газах и/или масляный туман. Центробежный сепаратор содержит центробежный ротор, который посредством приводного устройства вращается вокруг оси вращения и выполнен с возможностью обеспечения вращения загрязненного газа. Центробежный ротор содержит пакет сепарационных дисков в форме усеченных конусов, расположенных с соответствующим интервалом, так что они разграничивают между собой промежуточные пространства для газа, который через них протекает. Центробежный ротор дополнительно содержит выпускную камеру, расположенную по центру внутри пакета сепарационных дисков, сообщающуюся с промежуточными пространствами и выполненную, таким образом, для противоточной сепарации, так что загрязненный газ приводится во вращение и направляется в промежуточные пространства в радиальном направлении с внешней стороны пакета сепарационных дисков и внутрь по направлению к центру и центральной выпускной камере. Центробежный сепаратор содержит газовыпускной патрубок, сообщающийся с выпускной камерой и выполненный с возможностью выведения очищенного газа из центробежного ротора.
В публикации EP 1273335 B1 описано аналогичное известное устройство для очистки картерного газа. Центробежный сепаратор известного устройства имеет неподвижный корпус, который определяет внутри себя границы камеры, в которой размещен для вращения центробежный ротор. Центробежный сепаратор выполнен с возможностью прикрепления к боковой стороне двигателя внутреннего сгорания, при этом имеется внешний питающий трубопровод для направления картерного газа из двигателя к впускному отверстию, выполненному на корпусе и сообщающемуся с центробежным ротором. Во время работы загрязняющие вещества отделяются от картерного газа с помощью вращающегося центробежного ротора, причем корпус имеет соответственно выпускное отверстие для загрязняющих веществ (масло и твердые вещества) и газовыпускной патрубок для очищенного газа.
Публикация SE 529409 C2 также относится к аналогичному устройству для очистки картерного газа. Этот центробежный сепаратор имеет неподвижный корпус, который вмещает в себя центробежный ротор и который имеет поверхность стыка, сконфигурированную для непосредственного монтажа корпуса на клапанной крышке двигателя внутреннего сгорания. Поверхность стыка выполнена с газовпускным патрубком, который через отверстие в клапанной крышке сообщается непосредственно с картерным газом в пространстве, образованном клапанной крышкой. Такая конфигурация приводит к тому, что нет необходимости выполнять внешний питающий трубопровод для картерного газа. Корпус содержит также газовыпускной патрубок для очищенного газа и специальный сборный лоток для сепарированных загрязняющих веществ.
Устройство согласно предшествующему уровню техники доказало свою очень хорошую эффективность для очистки загрязненного газа. В транспортной промышленности существуют постоянно повышающиеся требования к охране окружающей среды с точки зрения сокращения выбросов в окружающую среду. Указанные выше устройства традиционно используются для очистки картерного газа больших дизельных двигателей. Однако существует необходимость очищать также картерный газ из более маленьких двигателей внутреннего сгорания, например дизельных двигателей порядка от 5 до 9 литров или еще меньших двигателей для легковых автомобилей. В то же время автомобильная промышленность устанавливает высокие требования с точки зрения компактности и экономической эффективности решений, демонстрирующих высокие технические данные.
Задачей изобретения является полное или, по меньшей мере, частичное удовлетворение вышеуказанной потребности.
Согласно настоящему изобретению данная задача решается посредством создания устройства, охарактеризованного в ограничительной части, которое характеризуется тем, что пакет сепарационных дисков на центробежном роторе расположен для вращения в пространстве, которое образовано внутри двигателя внутреннего сгорания и которое выполнено с возможностью приема загрязненного газа, причем промежуточные пространства между сепарационными дисками сообщаются непосредственно с пространством, при этом газовыпускной патрубок выполнен с возможностью направления очищенного газа из пространства через стенку, которая разграничивает пространство.
Таким образом, в устройстве согласно изобретению используется пространство, уже имеющееся внутри двигателя внутреннего сгорания. Для очистки картерного газа есть возможность, например, чтобы такое пространство принимало форму картера или образованного пространства, расположенного внутри блока двигателя и сообщающегося с картером. Другими возможными пространствами являются пространства, которые разграничены различными типами крышек, принадлежащих двигателю, например пространство внутри клапанной крышки, коробки цепи механизма газораспределения или корпуса махового колеса. В целях очистки картерного газа такие пространства могут быть выполнены с возможностью сообщения с картером через каналы в блоке двигателя. Таким образом, пространство, образованное внутри двигателя, составляет ограниченное пространство для центробежного ротора. Это означает, что у центробежного сепаратора нет потребности ни в отдельном от своего собственного корпуса для того чтобы вмещать центробежный ротор, ни в отдельном от своего собственного питающем трубопроводе для подачи загрязненного газа к центробежному ротору. Устройство согласно настоящему изобретению едва ли занимает какое-либо пространство снаружи двигателя, поскольку весь или по существу весь центробежный сепаратор размещается в существующем пространстве двигателя. Не нужно также снабжать центробежный сепаратор каким-либо выпускным устройством для загрязняющих веществ, отделенных от газа. Вместо этого центробежный ротор размещен, как результат противоточной сепарации, таким образом, чтобы продвигать сепарированные загрязняющие вещества в радиальном направлении наружу от пакета сепарационных дисков и непосредственно назад к пространству, которое уже содержит загрязненный газ.
Центробежный ротор может быть расположен преимущественно в пространстве на таком расстоянии от разграничивающей стенки, что загрязненный газ может протекать относительно свободно вдоль всего аксиального пространства пакета. Это создает хорошие условия для равномерного (гомогенного) распределения загрязненного газа ко всем промежуточным пространствам между сепарационными дисками. Имея ограниченное пространство вокруг двигателя внутреннего сгорания, центробежный сепаратор согласно предшествующему уровню техники сконфигурирован таким образом, что неподвижный корпус окружает его относительно близко, то есть центробежный сепаратор сконфигурирован с относительно малым кольцевым пространством между центробежным ротором и окружающим его корпусом. Такое малое кольцевое пространство может приводить к сопротивлению потока, вызывающему неравномерное распределение загрязненного газа к промежуточным пространствам в пакете сепарационных дисков. Изобретение поэтому может сделать возможным улучшение качества сепарации в том, что свободный поток вдоль всего пакета сепарационных дисков приводит к более равномерному распределению загрязненного газа ко всем промежуточным пространствам между сепарационными дисками.
Следовательно, согласно изобретению предложено устройство, обеспечивающее эффективную очистку загрязненного газа двигателя внутреннего сгорания, которое является простым и компактным.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения приводное устройство размещено так, что скорость центробежного ротора изменяется относительно скорости двигателя внутреннего сгорания. С помощью регулирования скорости скорость центробежного ротора и, следовательно, очищающий эффект может быть отрегулирован как необходимо. Центробежный ротор может быть, например, приводным образом соединен с валом двигателя, при этом приводное устройство содержит средство для изменяемого передаточного соотношения между упомянутым валом и центробежным ротором, так что скорость центробежного ротора может быть изменена относительно скорости вала и двигателя.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения приводное устройство является двигателем. В данном случае центробежный ротор приводится в действие своим собственным двигателем, который не зависит от скорости двигателя внутреннего сгорания. Такой двигатель также позволяет регулировать скорость центробежного ротора, что может быть достигнуто, например, с помощью электрического двигателя, технологически соединенного с блоком управления, для регулировки скорости электрического двигателя и, следовательно, центробежного ротора. Скорость пневматического или гидравлического двигателя также может регулироваться путем регулировки потока сжатого газа или жидкости к пневматическому или гидравлическому двигателю.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения приводное устройство расположено за пределами пространства. Таким образом, приводное устройство изолировано от пространства, которое содержит загрязненный газ, что означает, например, что электродвигатель может быть защищен от относительно грязной и агрессивной окружающей среды, которая содержит масляный туман, взвешенные твердые частицы и другие загрязняющие вещества.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения в разграничивающей стенке пространства выполнен подшипниковый узел с возможностью вращающейся опоры в стенке для центробежного ротора. Таким образом, стенка используется в качестве опоры для центробежного ротора. В пространстве может быть выполнен дополнительный подшипниковый узел, и в этом случае подшипниковые узлы выполнены с возможностью обеспечения вращающейся опоры для центробежного ротора на соответствующих сторонах пакета сепарационных дисков. Это приводит к относительному жесткому креплению центробежного ротора в цапфе, за счет чего можно избежать неблагоприятных вибраций и колебаний во время его вращения.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения центробежный ротор соединен с возможностью передачи приводного усилия с приводным устройством через роторный вал, который проходит через направляющее сквозное отверстие вала в разграничительной стенке пространства, причем сквозное отверстие вала сконфигурировано с упомянутым подшипниковым узлом в стенке. Это означает, что направляющее сквозное отверстие вала может быть использовано, чтобы вращающимся образом поддерживать центробежный ротор в стенке.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения центробежный ротор опирается с возможностью передачи вращения только на подшипниковый узел в стенке. Это приводит к простому опорному устройству для всего центробежного сепаратора только с одним подшипниковым узлом.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения газовыпускной патрубок сообщается с выпускной камерой через аксиальную торцевую стенку, которая расположена на пакете сепарационных дисков дистально от подшипникового узла в стенке. Таким образом, газовыпускной патрубок расположен в пространстве на одной аксиальной стороне пакета сепарационных дисков, при этом подшипниковый узел расположен в стенке на другой аксиальной стороне пакета сепарационных дисков.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения газовыпускной патрубок имеет форму трубчатого элемента, который окружает подшипниковый узел в стенке и который соединен с разграничивающей стенкой пространства, причем газовыпускной патрубок образует выпускной канал, в котором подшипниковая опора подшипникового узла размещена так, что очищенный газ может быть направлен мимо подшипниковой опоры в выпускном патрубке. Результатом является газовыпускной патрубок, скомбинированный с подшипниковым узлом для опоры центробежного ротора в стенке с возможностью передачи вращения.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения двигатель является электрическим двигателем. Относительно легко обеспечить регулировку скорости для электрического двигателя. Электрический двигатель расположен предпочтительно за пределами пространства, так что он изолирован от пространства, содержащего загрязненный газ, и поэтому защищен от относительно грязной окружающей среды.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения двигатель является гидравлическим или пневматическим двигателем, размещенным с возможностью вращения центробежного ротора с помощью текучей среды, которая сжимается двигателем внутреннего сгорания во время работы. Такой текучей средой может быть, например, сжатый воздух или находящееся под давлением смазочное вещество (масло) из уже существующей системы сжатого воздуха или смазочной системы двигателя внутреннего сгорания для транспортного средства, например грузовика.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения двигатель содержит турбину, расположенную в пространстве и соединенную с центробежным ротором, причем двигатель содержит трубопровод для подачи сжатой текучей среды к отверстию, выполненному в пространстве и направленному к турбине для обеспечения вращения колеса турбины и, следовательно, центробежного ротора. Находящееся под давлением смазочное вещество (масло) предпочтительно может быть использовано в качестве сжатой текучей среды, поскольку пространство для загрязненного газа обычно также сконфигурировано с возможностью содержания смазочного вещества и/или возврата смазочного вещества, например, к картеру.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения центробежный сепаратор содержит вентилятор, расположенный ниже по потоку от пакета сепарационных дисков и выполненный с возможностью компенсирования падения давления, связанного с потоком газа через центробежный ротор. В этом случае газовыпускной патрубок может быть снабжен корпусом вентилятора, окружающим рабочее колесо вентилятора, установленное на роторном валу, который принадлежит центробежному ротору и проходит в корпус вентилятора. В противоточном сепараторе центробежный ротор оказывает нагнетающее воздействие на поток газа в направлении, противоположном требуемому направлению потока, приводя к сопротивлению потока через такой центробежный ротор во время работы. Таким образом, вращающийся вентилятор во время работы всасывает картерный газ через центробежный ротор. При этом избегают избыточного давления газа в пространстве.
Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения пространство, образованное внутри двигателя внутреннего сгорания разграничено крышкой двигателя. Стенка, разграничивающая пространство, может принимать форму клапанной крышки, коробки цепи газораспределения, корпуса махового колеса или т.п. Такая крышка, размещенная с возможностью разграничения пространства для приема картерного газа, является хорошо известной в уровне техники и дополнительно здесь не описывается.
Согласно другому варианту осуществления изобретения загрязненный газ является картерным газом, выдуваемым из картера двигателя внутреннего сгорания. Это означает, что картерный газ из двигателя может быть очищен с помощью устройства. С этой целью, пространство, образованное внутри двигателя, может быть его картером или пространством, образованным внутри блока двигателя и размещенным с возможностью сообщения с картером.
Таким образом, согласно объекту настоящего изобретения создан двигатель внутреннего сгорании, содержащий устройство для очистки загрязненного газа в двигателе, при этом устройство содержит центробежный сепаратор для очистки газа от находящихся в нем во взвешенном состоянии в виде твердых или жидких частиц загрязняющих веществ, причем центробежный сепаратор содержит: центробежный ротор, который вращается вокруг оси вращения с помощью приводного устройства и выполнен с возможностью обеспечения вращения газа, при этом центробежный ротор содержит пакет сепарационных дисков усеченной конической формы, расположенных на расстоянии друг от друга, так что они разграничивают между собой промежуточные пространства для протекания через них газа; выпускную камеру, которая расположена по центру внутри пакета сепарационных дисков и сообщается с промежуточными пространствами, за счет чего центробежный ротор выполнен для противоточной сепарации таким образом, что загрязненный газ приводится во вращение и направляется в промежуточные пространства в радиальном направлении с внешней стороны пакета сепарационных дисков и по направлению к центральной выпускной камере; и газовыпускной патрубок, который сообщается с выпускной камерой и выполнен с возможностью направления очищенного газа из центробежного ротора, при этом пакет сепарационных дисков на центробежном роторе расположен для вращения в пространстве, которое образовано внутри двигателя и которое выполнено с возможностью приема загрязненного газа, причем промежуточные пространства между сепарационными дисками сообщаются непосредственно с пространством, причем газовыпускной патрубок выполнен с возможностью направления очищенного газа из пространства через стенку, которая разграничивает пространство.
Предпочтительно, приводное устройство выполнено так, что скорость центробежного ротора изменяется относительно скорости двигателя внутреннего сгорания.
Предпочтительно, приводное устройство является двигателем.
Предпочтительно, приводное устройство расположено за пределами пространства.
Предпочтительно, подшипниковый узел выполнен в разграничивающей стенке пространства, чтобы поддерживать с возможностью передачи вращающего усилия центробежный ротор в стенке.
Предпочтительно, в пространстве расположен дополнительный подшипниковый узел, при этом подшипниковые узлы поддерживают с возможностью передачи вращающего усилия центробежный ротор на соответствующих сторонах пакета сепарационных дисков.
Предпочтительно, подшипниковый узел выполнен в разграничивающей стенке пространства, чтобы поддерживать с возможностью передачи вращающего усилия центробежный ротор в стенке, при этом центробежный ротор соединен с возможностью передачи приводного усилия с приводным устройством через роторный вал, который проходит через сквозное направляющее отверстие вала в разграничительной стенке пространства, причем сквозное направляющее отверстие вала сконфигурировано с подшипниковым узлом в стенке.
Предпочтительно, центробежный ротор опирается с возможностью передачи вращающего усилия только на один подшипниковый узел в стенке.
Предпочтительно, газовыпускной патрубок сообщается с выпускной камерой через аксиальную торцевую стенку, которая расположена на пакете сепарационных дисков дистально от подшипникового узла в стенке.
Предпочтительно, газовыпускной патрубок сообщается с выпускной камерой через аксиальную торцевую стенку, которая расположена на пакете сепарационных дисков проксимально около подшипникового узла в стенке.
Предпочтительно, газовыпускной патрубок имеет форму трубчатого элемента, который окружает подшипниковый узел в стенке и который соединен с разграничивающей стенкой пространства, причем газовыпускной патрубок образует выпускной канал, в котором размещена подшипниковая опора подшипникового узла, так что очищенный газ может быть направлен мимо подшипниковой опоры в выпускном канале.
Предпочтительно, двигатель является электродвигателем.
Предпочтительно, двигатель является гидравлическим или пневматическим двигателем, размещенным с возможностью вращения центробежного ротора посредством текучей среды, которая сжимается двигателем внутреннего сгорания во время работы.
Предпочтительно, двигатель содержит турбину, расположенную в пространстве и соединенную с центробежным ротором, а также содержит трубопровод для подачи сжатой текучей среды к отверстию, расположенному в пространстве и направленному к турбине для того, чтобы вызвать вращение колеса турбины и, посредством этого, центробежного ротора.
Предпочтительно, сжатая текучая среда является смазочным веществом для двигателя внутреннего сгорания.
Предпочтительно, центробежный сепаратор содержит вентилятор, расположенный ниже по потоку от пакета сепарационных дисков и выполненный с возможностью компенсирования падения давления, связанного с газовым потоком через центробежный ротор.
Предпочтительно, вентилятор размещен в газовыпускном патрубке, снабженном корпусом вентилятора, окружающим рабочее колесо вентилятора, установленное на роторном валу, который принадлежит центробежному ротору и который проходит в корпус вентилятора.
Предпочтительно, пространство, образованное внутри двигателя внутреннего сгорания, ограничено крышкой двигателя, такой как клапанная крышка, коробкой цепи газораспределения или корпусом махового колеса.
Предпочтительно, загрязненный газ является картерным газом, выдуваемым из картера двигателя внутреннего сгорания.
Предпочтительно, пространство, образованное внутри двигателя внутреннего сгорания, является картером двигателя или пространством, образованным внутри блока двигателя и размещенным с возможностью сообщения с картером.
Далее изобретение будет описано более подробно с помощью подробного описания вариантов его осуществления, описанных путем примеров со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фиг.1 - устройство согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 - устройство согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения; и
фиг.3 - устройство согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.1-3 показаны различные варианты осуществления устройства для очистки загрязненного газа из двигателя внутреннего сгорания. В показанном варианте осуществления настоящего изобретения загрязненный газ является картерным газом, выдуваемым из картера двигателя. Устройство 1 содержит центробежный сепаратор 2 для сепарации твердых частиц загрязняющих веществ из картерного газа. Центробежный сепаратор 2 содержит центробежный ротор 3, который вращается вокруг оси R вращения и который расположен в пространстве 4 и 4', образованном внутри двигателя, то есть пространстве, которое принадлежит двигателю. В первом и втором варианте осуществления настоящего изобретения, согласно фиг.1 и 2, соответственно, пространство 4 разграничено клапанной крышкой 5 двигателя, причем пространство 4 внутри клапанной крышки 5 размещено с возможностью приема картерного газа из картера. Таким образом, двигатель содержит блок двигателя, снабженный каналами, которые размещены с возможностью направления картерного газа из картера к пространству 4, ограниченному клапанной крышкой 5. В третьем варианте осуществления настоящего изобретения, согласно фиг.3, центробежный ротор 3 размещен с возможностью вращения непосредственно внутри картера 5', то есть в пространстве 4', ограниченном картером 5'.
В пространстве 4, 4' центробежный ротор 3 снабжен пакетом сепарационных дисков 6, расположенных с интервалом, так что они разграничивают между собой промежуточные пространства 7 для того, чтобы через них протекал картерный газ. Такие промежуточные пространства 7 могут быть образованы путем выполнения некоторого числа распорных элементов (не показано) на поверхности сепарационных дисков. В целях ясности на чертежах показано только малое количеством сепарационных дисков 6 с широкими аксиальными промежуточными пространствами 7. На практике расположено стопкой значительно больше сепарационных дисков 6, с тем результатом, что между ними образуются относительно узкие промежуточные пространства 7. Пакет сепарационных дисков расположен в пространстве 4 и 4' таким образом, что промежуточные пространства 7 между сепарационными дисками 6 сообщаются непосредственно с пространством 4 и 4'. Сепарационные диски выполнены усеченной конической формы и размещены стопкой между первой торцевой стенкой 8 и второй торцевой стенкой 9, которые имеют усеченную коническую форму, соответствующую форме сепарационных дисков 6. Роторный вал 10 проходит коаксиально оси R вращения через пакет сепарационных дисков 6, при этом как сепарационные диски 6, так и торцевые стенки 8, 9 расположены концентрично и соединены с роторным валом 10. Поэтому, каждая торцевая стенка 8, 9 и каждый сепарационный диск 6 имеют центральный плоский участок с отверстием для роторного вала 10.
Каждый сепарационный диск 6 дополнительно имеет проходящие через него, на плоском участке, отверстия для газового потока (не показано), распределенные вокруг роторного вала 10. Отверстия для газового потока в сепарационных дисках 6 и промежуточные пространства 7 между центральными плоскими участками сепарационных дисков вместе образуют центральную выпускную камеру 11 в пределах пакета сепарационных дисков 6. Следовательно, центробежный ротор 3 размещен с возможностью очистки картерного газа с помощью так называемой противоточной сепарации, при этом загрязненный картерный газ направляется в промежуточные пространства 7 между сепарационными дисками 6, в радиальном направлении, снаружи ротора 3 и затем по направлению к центральной выпускной камере 11. Центральный участок второй торцевой стенки 9 имеет проходящее через него множество отверстий 12, распределенных вокруг роторного вала 10, так что центральная выпускная камера 11 может сообщаться с неподвижным газовыпускным патрубком 13, 13' и 13'' для того, чтобы вывести очищенный картерный газ из центробежного ротора 3. Вторая торцевая стенка 9 дополнительно имеет кольцевой фланец 14, который проходит аксиально в направлении газовыпускного патрубка 13, 13' и 13'', размещенного с возможностью взаимодействия с подобным кольцевым фланцем 15а на трубчатом элементе 15b на газовыпускном патрубке 13, 13' и 13''. Таким образом, очищенный картерный газ направляется от центральной выпускной камеры 11 к неподвижному газовыпускному патрубку 13, 13' и 13''.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг.1, неподвижный газовыпускной патрубок 13 расположен в пространстве 4 внутри клапанной крышки 5. Рабочее колесо вентилятора 16 выполнено на первом конце роторного вала 10, который проходит в газовыпускной патрубок 13, при этом участок газовыпускного патрубка 13, который окружает рабочее колесо вентилятора 16, сконфигурирован как корпус 17 вентилятора. Газовыпускной патрубок 13 дополнительно содержит выпускной канал 18b, соединенный с корпусом 17 вентилятора и размещенный с возможностью выведения картерного газа из пространства 4 через сквозной направляющий канал или отверстие 5а в клапанной крышке 5. Рабочее колесо вентилятора 16 в газовыпускном патрубке 13 сконфигурировано с возможностью закачивать картерный газ из выпускной камеры 11 и из корпуса 17 вентилятора через выпускной канал 18b. В противоточном сепараторе пакет сепарационных дисков 6 оказывает нагнетающее действие на газовый поток в направлении, противоположном требуемому направлению потока, вызывая сопротивление потока или падение давления через такой центробежный ротор 3 во время эксплуатации. Таким образом, вентилятор 16 выполнен с возможностью, по меньшей мере, компенсирования падения давления, связанного с газовым потоком через ротор 3.
На фиг.1 схематично показан электрический двигатель 19, который соединен с возможностью передачи приводного усилия с центробежным ротором 3 и установлен снаружи клапанной крышки 5. Двигатель 19 соединен со вторым концом роторного вала 10, который проходит через направляющее отверстие вала в клапанную крышку 5. Канал вала содержит подшипниковый узел с двумя подшипниками 20а, 20b и подшипниковую опору 21, которые расположены в клапанной крышке 5, чтобы поддерживать с возможностью передачи вращающего усилия центробежный ротор 3 посредством роторного вала 10. Два подшипника 20а и 20b расположены аксиально бок о бок в подшипниковой опоре 21. Как показано на фиг.1, роторный вал 10 только удерживается подшипниковым узлом, соединенным с каналом вала, в клапанной крышке 5. Результатом является простое опорное устройство для всего центробежного ротора 3. Однако, если требуется, может быть выполнен дополнительный подшипниковый узел (не показано) внутри газовыпускного патрубка 13 на первом конце роторного вала 10, так что центробежный ротор 3 опирается на обе стороны стопки сепарационных дисков 6.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг.2, неподвижный газовыпускной патрубок 13' принимает форму трубчатого элемента 15b, который образует выпускной канал 18а для очищенного картерного газа. В клапанной крышке 5 имеется отверстие 5а, к которой подсоединен выпускной канал 18а, так что очищенный картерный газ может быть направлен из пространства 4 внутри клапанной крышки 5. Трубчатый элемент 15b соединен непосредственно с клапанной крышкой 5 в области вокруг его отверстия 5а, проходит аксиально внутрь к кольцевому фланцу 14 на второй торцевой стенке 9 центробежного ротора 3 и имеет свободный конец в виде взаимодействующего кольцевого фланца 15а. Как описано выше, фланцы 14 и 15а размещены с возможностью взаимодействия, для того чтобы направлять очищенный картерный газ из центральной выпускной камеры 11 в центробежном роторе 3 к неподвижному газовыпускному патрубку 13'.
На фиг.2 показан первый конец роторного вала 10, проходящий в трубчатый элемент 15b, который окружает подшипниковый узел, содержащий первый подшипник 20а' и подшипниковую опору 21а, которые размещены чтобы поддерживать с возможностью передачи вращающего усилия роторный вал 10 в клапанной крышке 5 с помощью трубчатого элемента 15b. В трубчатом элементе 15b подшипниковая опора 21а поддерживается фланцем, проходящим в радиальном направлении между подшипниковой опорой 21а и трубчатым элементом 15b и имеющим множество проходящих через него отверстий 22, которые распределены вокруг подшипниковой опоры 21а и размещены с возможностью направления очищенного картерного газа мимо подшипниковой опоры 21а в выпускной канал 18а. Второй конец роторного вала 10 расположен в пространстве 4 и поддерживает турбинное колесо 19'. Роторный вал 10 таким образом соединен с возможностью передачи приводного усилия с гидравлическим двигателем, который дополнительно содержит сопло (не показано), расположенное в пространстве 4 и размещенное с возможностью направления к турбинному колесу 19' струи жидкости (например, находящегося под давлением масла) для вращения рабочего колеса 19' турбины и центробежного ротора 3. Между пакетом сепарационных дисков 6 и колесом 19' турбины с помощью второго подшипника 20b' закреплен роторный вал 10 в стеновом элементе 21b, расположенном в пространстве 4 в пределах клапанной крышки 5. Во втором варианте осуществления настоящего изобретения центробежный ротор 3 таким образом опирается с возможностью передачи вращения на соответствующие стороны пакета сепарационных дисков 6 с помощью первого подшипника 20а' и второго подшипника 20b'.
В третьем варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг.3, центробежный ротор 3 расположен для вращения в переделах картера 5'. Пространство 4' внутри картера 5' размещено с возможностью содержания масла в жидкой форме до определенного уровня. Однако ротор 3 расположен на участке пространства 4', который размещен с возможностью содержания картерного газа. Следовательно, показанный центробежный сепаратор 2 расположен на соответствующем расстоянии над упомянутым уровнем масла, так что нет риска соприкосновения с центробежным ротором 3 или заполнения жидким маслом.
На фиг.3 показан неподвижный газовыпускной патрубок 13'', снабженный трубчатым элементом 15b, который образует выпускной канал 18а для очищенного картерного газа. В картере 5' имеется отверстие 5'а, с которым соединен выпускной канал 18а, так что очищенный картерный газ может быть направлен из пространства 4' внутри картера 5'. Трубчатый элемент 15b соединен непосредственно с картером 5' в области вокруг его отверстия 5'а и продолжается в радиальном направлении внутрь по направлению к кольцевому фланцу 14 на второй торцевой стенке 9 центробежного ротора 3, при этом свободный конец трубчатого элемента 15b принимает форму взаимодействующего кольцевого фланца 15а. Как описано выше, фланцы 14 и 15а размещены с возможностью взаимодействия, для того чтобы направлять очищенный картерный газ из центральной выпускной камеры 11 в центробежном роторе 3 к неподвижному газовыпускному патрубку 13''. Роторный вал 10 проходит аксиально через трубчатый элемент 15b и из картера 5' через его отверстие 5'а. Непосредственно сразу за пределами картера 5' роторный вал 10 несет рабочее колесо вентилятора 16, при этом газовыпускной патрубок 13'' содержит корпус 17 вентилятора, который окружает рабочее колесо вентилятора 16, расположен снаружи картера 5' и размещен с возможностью сообщения с выпускным каналом 18а через отверстие 5'а картере 5'. Газовыпускной патрубок 13'' дополнительно содержит выпускной канал 18b, соединенный с корпусом 17 вентилятора, и размещен с возможностью направления картерного газа из корпуса 17 вентилятора. Как описано ранее, рабочее колесо вентилятора 16 может закачивать картерный газ из выпускной камеры 11 в центробежный ротор 3 и из него через неподвижный газовыпускной патрубок 13'. Таким образом, рабочее колесо 16 вентилятора может быть приспособлено, чтобы, по меньшей мере, компенсировать падение давления, связанное с газовым потоком через центробежный ротор 3. В альтернативном варианте, рабочее колесо вентилятора 16 может быть полностью удалено из этого варианта осуществления настоящего изобретения в случаях, когда нет необходимости в компенсации указанного падения давления.
На фиг.3 схематично показан электрический двигатель 19, соединенный с возможностью передачи приводного усилия с центробежным ротором 3 и установленный снаружи корпуса 17 вентилятора. Двигатель 19 соединен с первым концом роторного вала 10, который проходит через направляющее отверстие вала в корпус 17 вентилятора. В третьем варианте осуществления настоящего изобретения центробежный ротор 3 закреплен в цапфе на обеих сторонах пакета сепарационных дисков 6. Участок роторного вала 10, который проходит в трубчатый элемент 15b, закреплен с помощью подшипникового узла, содержащего первый подшипник 20'а и подшипниковую опору 21а, которые размещены с возможностью поддерживания роторного вала 10 для вращения в картере 5' через трубчатый элемент 15b. В трубчатом элементе 15b подшипниковая опора 21а поддерживается фланцем, проходящим в радиальном направлении между подшипниковым держателем 21 и трубчатым элементом 15b, и имеет множество проходящих через него отверстий 22, которые распределены вокруг подшипниковой опоры 21а и размещены с возможностью направления очищенного картерного газа мимо подшипниковой опоры 21а в выпускной канал 18а. Второй конец роторного вала 10 закреплен с помощью второго подшипника 20b' в элементе 21b стенки, расположенной в пространстве 4' внутри картера 5'.
Описанное выше и показанное на чертежах устройство работает описанным ниже образом для очистки картерного газа от взвешенных в нем частиц (загрязняющих веществ), которые имеют плотность, превышающую плотность газа. В этом случае загрязняющими веществами являются два вида веществ, а именно твердые частицы, например твердые частицы в отработавших газах, и жидкие частицы, например частицы масла.
Двигатель 19, 19' поддерживает вращение центробежного ротора 3 внутри пространства 4, 4'. Загрязненный картерный газ в пространстве 4, 4' направляется от наружной периферии пакета сепарационных дисков 6 непосредственно в промежуточные пространства 7 между сепарационными дисками 6. Оттуда газ проходит в радиальном направлении внутрь к центральной выпускной камере 11 ротора. Хотя газ проходит между сепарационными дисками 6, вращение сообщается ему с помощью вращения центробежного ротора. Центробежная сила заставляет таким образом взвешенные в газе частицы двигаться по направлению и во взаимодействие с внутренними частями сепарационных дисков, то есть к боковым сторонам сепарационных дисков усеченной конической формы, которые обращены к оси R вращения. При контакте с сепарационными дисками, частицы увлекаются ими и после этого ведут себя главным образом под действием центробежных сил, которые заставляют их двигаться в радиальном направлении наружу вдоль внутренних частей сепарационных дисков. Когда они достигают окружных кромок сепарационных дисков, частицы выталкиваются из центробежного ротора 3 и таким образом возвращаются в пространство 4, 4'.
Картерный газ, который был освобожден от частиц в каждом промежуточном пространстве между соседними сепарационными дисками 6, продолжает перемещаться в радиальном направлении внутрь к центральной выпускной камере 11 в центробежном роторе 3. Однако вращение центробежного ротора приводит к сопротивлению потока газа, проходящего через промежуточные пространства 7 между сепарационными дисками 6. Другими словами, центробежный ротор 3 оказывает закачивающее действие на поток газа в направлении, противоположном требуемому направлению потока через центробежный ротор. Если во время эксплуатации образовавшийся картерный газ, который подают к пространству 4, 4', создает в нем достаточно высокое давление газа, он будет, несмотря на упомянутое сопротивление потока, проходить в радиальном направлении внутрь к центральной выпускной камере 11 и из нее через газовыпускной патрубок 13'. Однако двигатель имеет такие размеры, что давление внутри пространства 4,4' должно быть сохранено в пределах определенного диапазона давления, то есть давление не должно ни повышаться выше определенного положительного давления, ни падать ниже определенного отрицательного давления. Если разрешенное положительное давление в пространстве 4, 4' является недостаточным, чтобы выталкивать картерный газ через вращающийся центробежный ротор, устройство может быть снабжено рабочим колесом вентилятора 16, расположенным ниже по потоку центробежного ротора, чтобы компенсировать падение давления, связанное с газовым потоком, проходящим через центробежный ротор. Таким образом, вращающееся рабочее колесо вентилятора 16 засасывает картерный газ через центробежный ротор 3 во время эксплуатации. Очищенный картерный газ покидает выпускную камеру 11 ротора 3 через газовыпускной патрубок 13, 13' и 13''.
Изобретение не ограничено вариантами его осуществления, на которые делались ссылки, и оно может быть изменено и модифицировано в пределах объема, определяемого прилагаемой формулой изобретения. В приведенных вариантах осуществления изобретения центробежный ротор расположен горизонтально в пространстве, но он также может быть расположен в нем вертикально. Таким образом центробежный ротор может быть, например, размещен подвешенным в клапанной крышке с помощью роторного вала и подшипникового узла в стенке, или через роторный вал и двигатель, расположенный снаружи пространства. Сепарационные диски усеченной конической формы также могут быть ориентированы своими внутренними частями, обращаясь либо в направлении (как показано на чертежах) к газовыпускному патрубку или в направлении от него. Если они обращены от газовыпускного патрубка, первый конец торцевой стенки 8 вместо этого будет снабжен множеством проходящих через него отверстий, так что центральная выпускная камера может сообщаться с газовыпускным патрубком для того, чтобы выгрузить очищенный газ из центробежного ротора.
1. Двигатель внутреннего сгорании, содержащий устройство для очистки загрязненного газа в двигателе, при этом устройство (1) содержит центробежный сепаратор (2) для очистки газа от находящихся в нем во взвешенном состоянии в виде твердых или жидких частиц загрязняющих веществ, причем центробежный сепаратор (2) содержит:
центробежный ротор (3), который вращается вокруг оси (R) вращения с помощью приводного устройства (19, 19') и выполнен с возможностью обеспечения вращения газа, при этом центробежный ротор (3) содержит пакет сепарационных дисков (6) усеченной конической формы, расположенных на расстоянии друг от друга, так что они разграничивают между собой промежуточные пространства (7) для протекания через них газа;
выпускную камеру (11), которая расположена по центру внутри пакета сепарационных дисков и сообщается с промежуточными пространствами (7), за счет чего центробежный ротор (3) выполнен для противоточной сепарации таким образом, что загрязненный газ приводится во вращение и направляется в промежуточные пространства (7) в радиальном направлении с внешней стороны пакета сепарационных дисков (6) и по направлению к центральной выпускной камере (11); и
газовыпускной патрубок (13, 13', 13''), который сообщается с выпускной камерой (11) и выполнен с возможностью направления очищенного газа из центробежного ротора (3), отличающийся тем, что
пакет сепарационных дисков (6) на центробежном роторе (3) расположен для вращения в пространстве (4, 4'), которое образовано внутри двигателя и которое выполнено с возможностью приема загрязненного газа, причем промежуточные пространства (7) между сепарационными дисками сообщаются непосредственно с пространством (4, 4'), при этом газовыпускной патрубок (13, 13', 13'') выполнен с возможностью направления очищенного газа из пространства (4, 4') через стенку (5, 5'), которая разграничивает пространство.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что приводное устройство (19, 19') выполнено так, что скорость центробежного ротора изменяется относительно скорости двигателя внутреннего сгорания.
3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что приводное устройство является двигателем (19, 19').
4. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что приводное устройство (19) расположено за пределами пространства (4, 4').
5. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что подшипниковый узел (20а, 20а', 20b, 21, 21а) выполнен в разграничивающей стенке (5, 5') пространства, чтобы поддерживать с возможностью передачи вращающего усилия центробежный ротор (3) в стенке (5, 5').
6. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что в пространстве (4, 4') расположен дополнительный подшипниковый узел (20b', 21b), при этом подшипниковые узлы (20а', 20b', 21а, 21b) поддерживают с возможностью передачи вращающего усилия центробежный ротор на соответствующих сторонах пакета сепарационных дисков (6).
7. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что подшипниковый узел (20а, 20а', 20b, 21, 21а) выполнен в разграничивающей стенке (5, 5') пространства, чтобы поддерживать с возможностью передачи вращающего усилия центробежный ротор (3) в стенке (5, 5'), при этом центробежный ротор (3) соединен с возможностью передачи приводного усилия с приводным устройством (19) через роторный вал (10), который проходит через сквозное направляющее отверстие вала в разграничительной стенке (5, 5') пространства, причем сквозное направляющее отверстие вала сконфигурировано с подшипниковым узлом (20а, 20а', 20b, 21, 21а) в стенке.
8. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что центробежный ротор (3) опирается с возможностью передачи вращающего усилия только на один подшипниковый узел (20а, 20а', 20b, 21, 21а) в стенке (5, 5').
9. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что газовыпускной патрубок (13) сообщается с выпускной камерой (11) через аксиальную торцевую стенку (9), которая расположена на пакете сепарационных дисков дистально от подшипникового узла (20а, 20b, 21) в стенке (5).
10. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что газовыпускной патрубок (13', 13'') сообщается с выпускной камерой (11) через аксиальную торцевую стенку (9), которая расположена на пакете сепарационных дисков проксимально около подшипникового узла (20а', 21а) в стенке (5, 5').
11. Двигатель по п.10, отличающийся тем, что газовыпускной патрубок (13', 13'') имеет форму трубчатого элемента (15b), который окружает подшипниковый узел (20а', 21а) в стенке (5, 5') и который соединен с разграничивающей стенкой (5, 5') пространства, причем газовыпускной патрубок образует выпускной канал (18а), в котором размещена подшипниковая опора (21а) подшипникового узла (20а', 21а), так что очищенный газ может быть направлен мимо подшипниковой опоры (21а) в выпускном канале (18а).
12. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что двигатель является электродвигателем (19).
13. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что двигатель является гидравлическим (19') или пневматическим двигателем, размещенным с возможностью вращения центробежного ротора (3) посредством текучей среды, которая сжимается двигателем внутреннего сгорания во время работы.
14. Двигатель по п.13, отличающийся тем, что двигатель содержит турбину (19'), расположенную в пространстве (4, 4') и соединенную с центробежным ротором (3), а также содержит трубопровод для подачи сжатой текучей среды к отверстию, расположенному в пространстве (4, 4') и направленному к турбине (19') для того, чтобы вызвать вращение колеса турбины и, посредством этого, центробежного ротора (3).
15. Двигатель по п.14, отличающийся тем, что сжатая текучая среда является смазочным веществом для двигателя внутреннего сгорания.
16. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что центробежный сепаратор (2) содержит вентилятор (16, 17), расположенный ниже по потоку от пакета сепарационных дисков (6) и выполненный с возможностью компенсирования падения давления, связанного с газовым потоком через центробежный ротор (3).
17. Двигатель по п.16, отличающийся тем, что вентилятор размещен в газовыпускном патрубке (13, 13''), снабженном корпусом (17) вентилятора, окружающим рабочее колесо (16) вентилятора, установленное на роторном валу (10), который принадлежит центробежному ротору (3) и который проходит в корпус вентилятора (17).
18. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что пространство (4), образованное внутри двигателя внутреннего сгорания, ограничено крышкой (5) двигателя, такой как клапанная крышка, коробкой цепи газораспределения или корпусом махового колеса.
19. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что загрязненный газ является картерным газом, выдуваемым из картера (5') двигателя внутреннего сгорания.
20. Двигатель по п.19, отличающийся тем, что пространство (4'), образованное внутри двигателя внутреннего сгорания, является картером (5') двигателя или пространством, образованным внутри блока двигателя и размещенным с возможностью сообщения с картером (5').
