CN101730787A - 带有泵送除气的油的曲轴箱通风系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃机的曲轴箱通风系统具有喷射泵，该喷射泵从空气/油分离器的出油口吸取除气分离的油并将其泵送至所述曲轴箱。

Description

带有泵送除气的油的曲轴箱通风系统
技术领域
本发明涉及用于内燃机的曲轴箱通风系统。
背景技术
用于内燃机的曲轴箱通风系统在现有技术中是已知的。内燃机在含有发动机油的曲轴箱内产生漏气和油雾。空气/油分离器具有接收来自曲轴箱的漏气和油雾的入口、将清洁漏气排到大气或排回发动机进气口的出气口，以及将除气分离的油(scavenged separated oil)排回曲轴箱的出油口。该分离器四周存在压降，从而使其入口处以及曲轴箱内的压力大于分离器出气口和出油口处的压力。曲轴箱与分离器的出油口之间的压差通常倾向于使得油从较高压力的曲轴箱回流到较低压力的出油口。现有技术中已知的是将分离器的出油口定位于曲轴箱上方的一给定竖直高度处，并在分离器的出油口与曲轴箱之间设置具有止回阀竖直连接管，从而提供克服所述压差和回流趋势的重心高差(gravity head)，以便油能从分离器排到曲轴箱。
发明内容
本发明提供了以简单而有效的方式解决上述问题的另一方案。
附图说明
图1是用于根据本发明内燃机的曲轴箱通风系统的示意图。
图2是示出了图1的部件的操作的流体流动图。
图3类似于图1，并示出了另一实施例。
图4类似于图1，并示出了另一实施例。
图5类似于图1，并示出了另一实施例。
图6是图1的一部分的局部放大剖面图，并示出了又一实施例。
图7是图1的一部分的局部放大剖面图，并示出了又一实施例。
具体实施方式
图1示出了用于内燃机22的曲轴箱通风系统20，该内燃机在含有发动机油26的曲轴箱24内产生漏气和油雾。已知该系统包括空气/油分离器28，该空气/油分离器具有接收来自曲轴箱的漏气和油雾的入口30，并具有将清洁漏气排到大气或排回发动机进气口的出气口32，而且还具有将除气分离的油排回曲轴箱的出油口34。在一个实施例中，空气/油分离器28为惯性冲击器，如以下美国专利所描述的：6,247,463；6,290,738；6,354,283；6,478,109。该系统还包括喷射泵36，该喷射泵将来自出油口34的除气分离的油泵送到曲轴箱24。喷射泵在现有技术中是已知的，例如：1939年美国国家航空咨询委员会的技术备忘录第982号，由Gustav Flugel撰写的″The Design of Jet Pumps″(″喷射泵的设计″)；1957年11月美国机械工程师协会的会刊第1807-1820页，由R.G.Cunningham撰写的″Jet-Pump Theory and Performance with Fluidsof High Viscosity″(″喷射泵理论以及高粘度流体的性能″)。分离器28四周存在压降，从而使得入口30处以及曲轴箱24内的压力大于出气口32和出油口34处的压力。曲轴箱24与出油口34之间的压差通常倾向于使得油从较高压力的曲轴箱24回流到较低压力的出油口34。在现有技术中，出油口34被定位于曲轴箱24上方的一给定高度处(尽管尺寸不同，但通常大于大约15英寸)，且将一竖直连接管设置于出油口与曲轴箱之间，而且带有止回阀，以使得重心高差生成并能克服所述压差。相反，本系统中的喷射泵36提供大于所述压差的泵送压力，从而克服所述回流趋势，且取而代之地从出油口34吸取除气分离的油，并通过连接管38将其泵送至曲轴箱24。如已知的，通过经由直径缩小的喷嘴40将运动流体引导到附近的具有吸入腔室44的更大直径混合孔42内来操作喷射泵。来自运动喷嘴40的高速运动喷流与混合孔42内的低速环绕流体之间的动量交换形成了从腔室44吸取和泵送流体的泵送效应，如图2中的流动图所示。图1中，喷射泵36为流体驱动的喷射泵，其具有位于40处的加压驱动入口、44处的吸入口以及42处的出口，上述加压驱动入口接收来自加压流体源的加压运动流体，吸入口接收来自分离器28的出油口34的分离的油，而上述出口通过管38将喷射泵送的油输送至曲轴箱24。
发动机包括油循环系统46，该油循环系统经由油泵48使得来自曲轴箱24的发动机油循环，上述油泵将经过过滤器50的加压油输送至选定的发动机部件，如活塞52和曲轴54，然后将其循环回曲轴箱24。图1的实施例中，喷射泵36为油驱动的喷射泵，其具有加压驱动入口、44处的吸入口以及42处的出口，上述加压驱动入口通过管56接收来自油泵48的加压运动油，上述吸入口接收来自分离器28的出油口34的分离的油，而上述出口通过管38将喷射泵送的油输送至曲轴箱24。
图3和4示出了其它实施例，并使用与上述相同的附图标记以便于理解。图1中，分离器28包括惯性冲击器60，如上所述。图3中，分离器28包括聚结器62，如上述引入的专利所示。图4中，分离器28同时包括惯性冲击器60和聚结器62，如上述引入的专利所示。图4中，惯性冲击器60位于聚结器62的上游。来自聚结器62的分离的油排到分离器的出油口34。在一个实施例中，来自冲击器60的分离的油如64处虚线所示地经由聚结器62排放，然后排到分离器的出油口34。在另一实施例中，分离器28具有辅助排放通道66，该辅助排放通道将来自冲击器60的分离的油排到分离器的出油口34，并绕过聚结器62。辅助排放通道66在其内具有限流放出孔68。在另一实施例中，分离器28具有66处的第二出油口，第二出油口将来自冲击器60的分离的油排到喷射泵的吸入口44，如70处的虚线所示。在另一实施例中，分离器28具有66处的第二出油口，该第二出油口将来自冲击器60的分离的油排回曲轴箱24，如72处的虚线所示，这可能需要如上所述的重心高差，来自冲击器60的分离的油通过重力作用经由第二出油口66和通道72排到曲轴箱24，而不经过喷射泵36，上述喷射泵泵送来自分离器28的第一出油口34的分离的油。
图5示出了又一实施例，并使用与上述相同的附图标记以便于理解。喷射泵36a为空气驱动的喷射泵，其具有加压驱动入口40a、44a处的吸入口以及出口42a，上述加压驱动入口接收来自将要描述的压缩空气源且位于管74处的加压运动空气，上述吸入口接收来自分离器28的出油口34的分离的油，而上述出口通过管38a将喷射泵送的油和运动空气输送至曲轴箱24。在图5的实施例中，发动机22具有输送用于燃烧的加压空气的涡轮增压器76。所述压缩空气源由涡轮增压器76提供，且喷射泵36a的加压驱动入口40a通过空气管线74接收来自涡轮增压器76的加压运动空气。
图6示出了另一实施例，并使用与上述相同的附图标记以便于理解。分离器28具有底壁面80，该底壁面提供收集分离的油的收集槽82。喷射泵36b形成在底壁面80中，并包括加压驱动入口40b、吸入口44b以及出口42b，上述加压驱动入口接收来自加压流体源，如油泵48或涡轮增压器76的加压运动流体，上述吸入口接收来自穿过壁80的排出通路84所提供的出油口34b的分离的油，而上述出口像混合孔42a和42一样，且直径大于驱动入口40b，并通过上述管38b将喷射泵送的油输送至曲轴箱。在各个实施例中，加压运动流体选自油和空气组成的组，而加压流体源选自油泵、涡轮增压器、空气压缩机以及压缩空气罐组成的组。
图7示出了另一实施例，并使用与上述相同的附图标记以便于理解。分离器28具有位于82c处的下收集槽。该系统包括由喷嘴36c驱动的涡轮机86以及由涡轮机86驱动的机械泵88，该机械泵从分离器28的出油口34c吸油，并在泵出口90处将油泵送至上述曲轴箱24。在一个实施例中，发动机22具有由阀头盖封闭的阀头，且涡轮机位于上述阀头盖下面的阀头内。在另一实施例中，涡轮机位于曲轴箱内。可使用各种涡轮机，包括螺旋叶片涡轮机、珀耳顿冲击式涡轮机、土尔戈式涡轮机等等。可使用各种泵，包括简单机械泵、正位移齿轮泵等等。可在涡轮机与泵之间使用各种连接，例如减速变速器、回转轴等等。
如上所述，各种加压运动流体可用于喷射泵，包括油(图1、图3、图4)和空气(图5)。加压流体源可以是油泵(例如图1、图3和图4的48)、涡轮增压器76(图5)、空气压缩机(如图5中94处的虚线所示)、压缩空气罐(如图5中96处的虚线所示)及其它源。其它变型包括对单个混合孔42进行给料的多个喷嘴40。可使用非圆形运动喷嘴以及混合孔的设计，但不将其看作最佳选择。混合孔出口上分散扩散器98(图1)的使用是合乎需要的，但如果不要求最高泵送效率的话则不是必须的。在一个具体实施例中，喷嘴40的直径为0.3mm(毫米)，混合孔42的直径为1mm，混合孔42开始在98处分散之前的长度为4mm，而吸入口44的直径为1mm，且在180°F(华氏温度)下具有40psi(磅每平方英寸)的运动压力油，在100°F下具有34处的吸入液体源，并且相对于24处的曲轴箱压力具有大约负15英寸水柱(-0.5psi)的压力，以及大约0.8mL/s(毫升每秒)的运动流和大约0.3rnL/s的附带吸流。预计的″停止吸取″(stall suction)(吸入口44处的、喷射泵不再能从吸入口拉取流体时的压力)大约为112英寸水柱，这比此类应用所需要的典型值5至15英寸水柱要好得多。
已示出了冲击器以及聚结器分离器，可使用其它类型的雾分离装置，包括静电分离器、旋流分离器、轴流涡流管、电力驱动离心分离器、马达或涡轮机驱动叠锥离心机、螺旋叶片离心机、旋转聚结器及用于发动机窜漏雾分离的其它类型的分离器。
除气分离的油可直接在管38处返回曲轴箱，或者可直接返回曲轴箱，例如除气分离的油最初可返回阀盖区域，如图5中100处的虚线所示，此油接着回流至曲轴箱。因此，关于喷射泵将来自分离器的出油口的除气分离的油泵送至曲轴箱的权利要求限制而可包括在到达曲轴箱之前经过发动机其它部分的流动路径段。此外，术语曲轴箱不只包括26处的收集油的发动机的下部区域，而且还包括发动机的与该区域连通的其它部分，这些部分包括处于造成所述回流趋势的所述压力的部分，该回流趋势压力由喷射泵克服。
已知由喷射泵提供的高压运动流在大直径混合孔42内生成高速小直径喷嘴40，从而有效地将喷射动能转换成泵送动力，如已知的。运动源40和/或吸入源44可能需要筛滤器防护，从而防止极小直径(如小于1mm)的堵塞。例如，使用过滤片(filter patch)、烧结金属块、筛网或其它过滤器以使得液体和空气自由地流过装置是合乎需要的。
在合乎需要方面，可将多个示例通路，而非对减小垂直量所需的外部管线整体形成并包含在发动机铸件和部件中。图6的实施例对在整体形成于槽外壳壁上的孔/凹槽上提供喷射冲击以形成所需抽取吸入是合乎需要的。当使用压缩空气以用于运动流体时，另一源可以是发动机的进气口歧管，从而可从进气歧管对压缩空气进行发送并将其通过管道送至曲轴箱通风系统内，以便为喷射泵提供运动流体。可将内模制通道用于经由阀盖对来自歧管的空气进行发送，并将其输送至曲轴箱通风系统中。类似地，可将除气分离的油从喷射泵出口42管送至阀盖的下侧，如100处所示，以使其返回曲轴箱。
在优选实施例中，喷射泵设置有混合孔42，在圆形孔的情况下，该混合孔的直径大于喷嘴40，且在圆形或非圆形孔或者多个喷嘴40的情况下，其具有更大横截面积。在其它实施例中，混合孔42的横截面积可与喷嘴40的横截面积相等，从而提供如下喷射泵，即：该喷射泵为在喷嘴40与混合孔42之间具有平滑过渡且在该二者之间不具有直径梯度的文氏管。此类喷射泵文氏管基于伯努利原理而在吸入口44处形成吸力。具有比喷嘴40更大面积的混合孔42的喷射泵是优选的，其原因是该喷射泵具有更高的泵送效率和容量，亦即，对于喷嘴40处的给定运动流，其能拉取或吸取口44处更多的除气的油；但是，低于最佳泵送效率和容量也是可接受的，其原因在于只需要从分离器28清除和吸取口44处极小量的油。在某些情况下，由于所述低效率和小容量要求，横截面积稍小于喷嘴40的混合孔42也是可接受的。从而，上述系统可使用具有混合孔42的喷射泵，该混合孔的横截面积大于或基本上等于喷嘴40的横截面积。混合孔42的横截面积等于或稍小于(基本上等于)喷嘴40的所述实施例提供文氏管或文氏管状喷射泵。但是，出于所述更高效率和容量目的，优选的喷射泵具有横截面积大于喷嘴40的混合孔42。可在某些实施例中使用达大约25∶1的面积比(直径比5∶1)，尽管其它面积和直径比是可能的，但在其它实施例中，可使用达大约100∶1(直径比10∶1)的面积比。因此，尽管不是优选的，但也可在本系统中使用喷射泵的下限(混合孔42的横截面积基本上等于喷嘴40的横截面积)。作为替代，比喷嘴40具有更大横截面积的混合孔42是优选的。
在又一实施例中，一个或多个任选的止回阀102和104(图5)设置在运动管线74和/或排放管线38a内以防止在低供气压力或负供气压力的(不常见的)情况下回流，例如在卡车长时间的下坡行驶且涡轮机空转的时候。止回阀102为提供如箭头106所示单向流动并阻挡反向流动的单向阀。止回阀104为允许如箭头108所示单向流动并阻挡反向流动的单向阀。
在前述描述中，已出于简洁、清晰和便于理解目的使用了一些术语。并不暗示来自这些术语的不必要的限制超过现有技术的要求，其原因是这些术语用于描述目的，且旨在广泛解释这些术语。可单独使用本文所描述的不同结构、系统和方法步骤，但也可将其与其它结构、系统和方法步骤相结合。预期所附权利要求范围内的各种等同物、替代物和改型是可能的。

Claims (30)

1.一种用于内燃机的曲轴箱通风系统，所述内燃机在含有发动机油的曲轴箱内产生漏气和油雾，所述系统包括空气/油分离器和喷射泵，所述空气/油分离器具有接收来自所述曲轴箱的漏气和油雾的入口，并具有排放清洁漏气的出气口以及排放除气分离的油的出油口，所述喷射泵将来自所述分离器的所述出油口的所述除气分离的油泵送至所述曲轴箱。
2.根据权利要求1所述的曲轴箱通风系统，其中所述分离器四周存在压降，从而使得所述入口处以及所述曲轴箱内的压力大于所述出气口和所述出油口处的压力，所述曲轴箱与所述出油口之间的压差通常倾向于使得油从所述较高压力的曲轴箱回流至所述较低压力的出油口，且所述喷射泵供应大于所述压差的泵送压力，以克服所述回流趋势，且取而代之地，所述喷射泵导致从所述出油口吸取除气分离的油，并将所述除气分离的油泵送至所述曲轴箱。
3.根据权利要求2所述的曲轴箱通风系统，其中所述喷射泵为流体驱动的喷射泵，其具有加压驱动入口、吸入口以及出口，所述加压驱动入口接收来自加压流体源的加压运动流体，所述吸入口接收来自所述分离器的所述出油口的分离的油，而所述出口将喷射泵送的油输送至所述曲轴箱。
4.根据权利要求2所述的曲轴箱通风系统，其中所述发动机具有油循环系统，所述油循环系统经由将加压油输送至选定的发动机部件并送回所述曲轴箱的油泵而使得来自所述曲轴箱的发动机油循环，且其中所述喷射泵为油驱动的喷射泵，其具有加压驱动入口、吸入口以及出口，所述加压驱动入口接收来自所述油泵的加压运动油，所述吸入口接收来自所述分离器的所述出油口的分离的油，而所述出口将喷射泵送的油输送至所述曲轴箱。
5.根据权利要求2所述的曲轴箱通风系统，其中所述分离器包括惯性冲击器。
6.根据权利要求2所述的曲轴箱通风系统，其中所述分离器包括聚结器。
7.根据权利要求2所述的曲轴箱通风系统，其中所述分离器包括组合的惯性冲击器和聚结器。
8.根据权利要求7所述的曲轴箱通风系统，其中所述冲击器位于所述聚结器的上游。
9.根据权利要求8所述的曲轴箱通风系统，其中，来自所述聚结器的分离的油排到所述分离器的所述出油口，且其中，来自所述冲击器的分离的油经由所述聚结器排放，并且然后排到所述分离器的所述出油口。
10.根据权利要求8所述的曲轴箱通风系统，其中，来自所述聚结器的分离的油排到所述分离器的所述出油口，且其中所述分离器具有辅助排放通道，所述辅助排放通道将来自所述冲击器的分离的油排到所述分离器的所述出油口，并绕过所述聚结器。
11.根据权利要求10所述的曲轴箱通风系统，其中所述辅助排放通道在其内具有限流放出孔。
12.根据权利要求8所述的曲轴箱通风系统，其中，来自所述聚结器的分离的油排到所述分离器的所述出油口，且其中所述分离器具有第二出油口，所述第二出油口将来自所述冲击器的分离的油排到所述所述喷射泵的所述吸入口。
13.根据权利要求8所述的曲轴箱通风系统，其中，来自所述聚结器的分离的油排到所述分离器的所述出油口，且其中所述分离器具有将来自所述冲击器的分离的油排到所述曲轴箱的第二出油口。
14.根据权利要求13所述的曲轴箱通风系统，其中，来自所述冲击器的所述分离的油通过重力作用经由所述第二出油口排到所述曲轴箱，而不经过所述喷射泵。
15.根据权利要求2所述的曲轴箱通风系统，其中所述喷射泵为空气驱动的喷射泵，其具有加压驱动入口、吸入口以及出口，所述加压驱动入口接收来自压缩空气源的加压运动空气，所述吸入口接收来自所述分离器的所述出油口的分离的油，而所述出口将喷射泵送的油和运动空气输送至所述曲轴箱。
16.根据权利要求15所述的曲轴箱通风系统，其中所述发动机具有涡轮增压器，所述涡轮增压器输送用于燃烧的加压空气，且所述压缩空气源包括所述涡轮增压器，而且所述加压驱动入口接收来自所述涡轮增压器的加压运动空气。
17.根据权利要求2所述的曲轴箱通风系统，其中所述分离器具有底壁面，所述底壁面提供收集分离的油的收集槽，且所述喷射泵形成在所述底壁面中并包括加压驱动入口、吸入口以及出口，所述加压驱动入口接收来自加压流体源的加压运动流体，所述吸入口接收来自由穿过所述壁的排出通路所提供的所述出油口的分离的油，而所述出口将喷射泵送的油输送至所述曲轴箱。
18.根据权利要求17所述的曲轴箱通风系统，其中：
所述加压运动流体选自油和空气组成的组；
所述加压流体源选自油泵、涡轮增压器、空气压缩机以及压缩空气罐组成的组。
19.根据权利要求2所述的曲轴箱通风系统，其包括由喷嘴驱动的涡轮机以及由所述涡轮机驱动的机械泵，所述机械泵从所述分离器的所述出油口吸取油，并将所述油泵送至所述曲轴箱。
20.根据权利要求19所述的曲轴箱通风系统，其中所述发动机具有由阀头盖封闭的阀头，且其中所述涡轮机位于所述曲轴箱与所述阀头的其中之一内。
21.根据权利要求3所述的曲轴箱通风系统，其中：
所述加压运动流体选自油和空气组成的组；
所述加压流体源选自油泵、涡轮增压器、空气压缩机以及压缩空气罐组成的组。
22.根据权利要求2所述的曲轴箱通风系统，其中所述喷射泵为流体驱动的喷射泵，其具有喷嘴、吸入口和混合孔，所述喷嘴由接收来自加压流体源的加压运动流体的加压驱动入口提供，所述吸入口接收来自所述分离器的所述分离的油，所述混合孔由将喷射泵送的油输送至所述曲轴箱的出口提供，且所述混合孔的横截面积大于或基本上等于所述喷嘴的横截面积。
23.根据权利要求22所述的曲轴箱通风系统，其中所述混合孔的横截面积大于所述喷嘴的横截面积，且所述混合孔的横截面积与所述喷嘴的横截面积的比达100∶1。
24.根据权利要求22所述的曲轴箱通风系统，其中所述混合孔的横截面积基本上等于所述喷嘴的横截面积，从而在所述吸入口处提供文氏效应吸取。
25.根据权利要求22所述的曲轴箱通风系统，其中，所述混合孔和所述喷嘴每个均为圆形。
26.根据权利要求22所述的曲轴箱通风系统，其包括对单个所述混合孔进行给料的多个所述喷嘴。
27.根据权利要求3所述的曲轴箱通风系统，其包括第一管和第二管，所述第一管将所述加压运动流体供应至所述喷射泵的所述驱动入口，所述第二管将所述喷射泵送的油从所述喷射泵的所述出口输送至所述曲轴箱，并且所述曲轴箱通风系统包括至少一个止回阀，所述至少一个止回阀位于所述第一管和第二管的其中之一中，以允许单向流动通过。
28.根据权利要求27所述的曲轴箱通风系统，其包括两个所述上回阀，即：位于所述第一管中的第一所述止回阀以及位于所述第二管中的第二所述止回阀。
29.根据权利要求27所述的曲轴箱通风系统，其中所述喷射泵为空气驱动的喷射泵，其具有加压的所述驱动入口，所述驱动入口接收来自压缩空气源的加压运动空气。
30.根据权利要求29所述的曲轴箱通风系统，其中所述发动机具有输送用于燃烧的加压空气的涡轮增压器，且所述压缩空气源包括所述涡轮增压器。
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