CN103764252B - 一种分离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分离器，用于从流体中分离出污染物，包括：第一入口，用于接收第一流体；依次连接在一起的第一级分离器和第二级分离器，用于从第一入口接收第一流体。泵，连接至第二级分离器，用于形成降压区域，以通过第一级和第二级分离器吸入第一流体。其中一级分离器包括一可变撞击分离器，器包括：第一腔体，用于接收第一流体；第二腔体，通过至少一个通孔与第一腔体连通，且使得第一流体通过通孔被加速而入射到一撞击表面上，从而使得污染物从第一流体中分离。致动器，根据第一腔体内的流体压力和第三腔体内的参考流体压力之间的压差来调整至少一个通孔的开口区域；各级分离器中的另一级分离器包括另一个可变撞击分离器和过滤介质中的一个。

Description

一种分离器

技术领域

本发明涉及一种分离器，尤其是一种用于将流体中的颗粒、液体和浮质污染物分离出来的分离器。本发明的某些实施例涉及一种安装在往复式发动机内的、用于将吹漏气流中的颗粒、液体和浮质污染物分离出来的分离器。本发明的特定实施例还涉及一种包含了分离器的装置，用于调节曲轴箱通风系统内的压力。本发明的实施例还提供了一种辅助泵整体分离器和调节器，适用于曲轴箱通风系统。

背景技术

往复式发动机内的吹漏气是燃烧过程中产生的副产物。在燃烧过程中，一些燃烧气体的混合物通过活塞环或其他密封件溢出，然后进入到活塞外部的发动机曲轴箱。术语“吹漏”是指气体吹过活塞密封件这一现象。吹漏气的流级取决于几个因素，例如发动机排量、活塞气缸密封件的效力以及发动机的功率输出。吹漏气通常具有以下成分：油(可为液体或浮质，浮质的液滴在0.1μm至10μm的范围内)、烟灰、氮氧化物(NOx)、烃类(气态烃类和气态醛类)、一氧化碳、二氧化碳、氧气、水以及其他气态空气成分。

如果吹漏气被保留在无出口的曲轴箱内，则曲轴箱内的压力会升高，直至该压力通过曲轴箱油泄露至发动机内的其他地方而得到缓减，例如泄露至曲轴箱的密封件处、量油尺密封件处或涡轮增压器密封件处。然而这样的泄露会导致损坏发动机。

为了防止这样的损坏以及过度的油耗，已知的是提供排出阀以允许将吹漏气排放到大气中。然而，随着普遍渐增的环保意识，尤其是在汽车制造业中，已经不允许因从曲轴箱内排油和其他污染物造成的吹漏气排放到大气中。此外，这样的排放加剧了曲轴箱的耗油速度。

因此，目前采用过滤吹漏气的方式。过滤后的吹漏气或可如以前一样排放到大气中(在一个开环系统中)。而分离出的油则经由排油管回流到机油箱中。吹漏气可穿过过滤介质或其他已知形式的气体污染物分离器以去除油、烟灰以及其他污染物，从而保护发动机组件不被污染并且防止任何还原反应生成物影响性能或者损坏组件。为了避免不可接受的高的发动机曲轴箱压力，这样的分离器切不可具有高于容限的流动压差，该容限是由发动机制造商限定的，以防止油从发动机曲轴箱和其他密封件泄露。通常设置处于5mbar至50mbar之间的上限。

通过将净化后的吹漏气回流至发动机的进气口(以形成闭环系统)，确保了在分离之后没有油性浮质留存并被排放到大气中。对于这样的系统(被称作封闭曲轴箱通风系统)，由发动机进气口产生的小真空导致需要单独的压力调节器，以在一些瞬时速度和负载的情况下防止负压被转移至发动机。

在经由涡轮增压系统将净化后的吹漏气回流至发动机的进气口的情况下，有必要遵守涡轮增压制造商给出的关于空气清洁程度的说明书。例如，通常，涡轮增压器的最大油污率为每小时0.2g。该要求可进一步增加所需的分离效率。

具有在开环式或封闭式曲轴箱系统限定范围内压差的现有分离器的最大计重分离效率已可检测并被本领域技术人员所知。通常可去除质量比为70%-80%的油性浮质。已经发现：依次连接两个分离器且每个分离器利用一部分有效压差的这种应用在整体效率上并未得到显著的提高。

不论是在开环式还是闭环式系统中，对于更高的分离效率的需求正逐渐增加。例如，许多发动机制造商要求使用绝对测量过滤器收集的颗粒达到质量(重量)比大于98%的整体油分离效率。利用现有的设备，可对大于约0.03μm的尺寸的颗粒进行分级分离效率(也即，设备在任何给定的颗粒尺寸下的分离性能)的测量。可类似地测量发动机的颗粒挑战特性(也即，污染物的颗粒组成)。在一些情况下，针对特定的颗粒尺寸，其效率要求是给定的，如小至0.2μm的颗粒，该要求可高达85%。此外，欧洲和美国的排放法规逐渐提高了所需的分离效率，这样，该法规很快会要求达到99%的计重分离效率。

因某些过滤器的使用寿命有限，在它们被堵塞前就已达到使用寿命并且必须要更换，因此这种使用过滤介质的分离方法是不合需要的。发动机制造商和终端用户大多倾向于仅使用能够在整个使用寿命期间保持稳定的发动机组件。虽然已有了终生受用的分离器，但是迄今为止，通常仅有有源离心分离器以及静电除尘器能够达到所需的分离效率。这种分离器制造成本高、耗费电能或者具有易被磨损的活动部件。低成本的终生受用的撞击分离器(当受污染气流撞击到横断气流的撞击板上时，气流发生分离)通常无法达到所需的分离效率。在本领域，撞击分离器也被称作惯性气-液撞击分离器。众所周知，惯性气-液撞击分离器用于开环式和闭环式曲轴箱通风系统中。通过狭缝、喷嘴或其他孔口将流体加速到高速，并且引导该流体冲击撞击板以引起方向骤变，从而从流体中去除污染物。

帕克汉尼汾(英国)公司(Parker Hannifin(UK)Ltd)申请的WO-2009/037496-A2公开了一种从流体中分离污染物的分离器。该分离器包括：腔体、用于接收第一流体的第一入口(该第一入口具有用于加速第一流体的收敛喷嘴)、用于接收夹带有污染物的第二流体(例如吹漏气)的第二入口。第二入口与第一入口相对布置，使得第一流体可夹带并且加速第二流体，从而在腔体内形成混合流体。一表面被连接至该腔体，使得混合流体入射到该表面上时可使得混合流体产生偏离，这样污染物可从该混合流体中分离出来。

根据该已知形式的分离器，无需驱动或活动部件，可使得从流体中去除污染物的过程达到高效率水平。该分离器适于从诸如内燃发动机内产生的吹漏气流中分离污染物。第一流体可来自于涡轮压缩机或汽车发动机内的其他种类的压缩空气，并且用于将吹漏气从发送机的曲轴箱中吸出。第一流体在腔体内形成降压区域，该区域吸入吹漏气。这样的分离器可为终生受用的分离器，这归功于不存在可能出现故障的活动部件或者容易堵塞并且需要经常更换的过滤介质。

对于具有撞击表面的分离器，通过使流体偏转来实现分离，可在液流流经处设置一喷嘴来提高分离效率。该喷嘴引起流体加速，以使得该流体以更快的速度入射到撞击表面上。为获得最高流速和分离效率，合适的是尽可能采用具有最小横截面的喷嘴。然而这种方式的不良后果是，在穿过分离器时会产生更高的压降。为了防止曲轴箱的压力增加至不可接受的水平，喷嘴的最小尺寸以及因此而得到的分离器的性能是受限的。为了将曲轴箱的压力控制在可接受的范围内，必须在分离器的上游或下游位置增设一压力调节器。

如上文所述的惯性分离器，具有固定截面的喷嘴，使得气流以均一的速度穿过撞击表面。由于不同尺寸的颗粒具有不同的惯性，部分分离效率特征曲线显示，相比于较大和较重的颗粒，最小颗粒具有明显较低的被成功分离的可能性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种避免或缓解一个或多个背景技术中提到的问题(包括在此说明或其它地方说明的问题)，具体地，本发明提供一种进一步提高效率的曲轴箱通风系统，尤其是终生受用的封闭式曲轴箱通风系统(CCV系统)，无需电力或其他复杂的旋转部件。

本发明进一步要解决的技术问题是提供一种高效分离器，能够防止液体入口压力上升至不可接受的水平。

根据本发明的第一方面，提供了一种分离器，用于从流体中分离出污染物，所述分离器包括：第一入口，用于接收夹带有污染物的第一流体；依次连接在一起的第一级分离器和第二级分离器，所述第一级分离器和第二级分离器连接至所述第一入口，以从所述第一入口接收所述第一流体，每一级分离器用于从所述第一流体中分离出污染物；以及泵，连接至所述第二级分离器，所述泵用于形成降压区域，以通过所述第一级分离器和第二级分离器吸入所述第一流体；其特征在于，各级分离器中的其中一级分离器包括一可变撞击分离器，所述可变撞击分离器包括：第一腔体，用于接收所述第一流体；第二腔体，通过至少一个通孔与所述第一腔体连通，其用于使得所述第一流体通过所述通孔被加速并且入射到一撞击表面，从而使得污染物从所述第一流体中被分离；以及致动器，用于根据所述第一腔体内的流体压力和第三腔体内的参考流体压力之间的压差来调整所述通孔的开口区域；以及各级分离器中的另一级分离器包括另一可变撞击分离器和过滤介质中的一个。

本发明的优势在于，所述泵在撞击表面的下游形成降压区域，这允许维持横跨分离器的高压差，而不会导致入口压力升高至不可接受的水平。此外，其中一个可变撞击分离器或至少一个可变撞击分离器确保了入口压力维持在相对于参考压力的预定水平处。该参考压力优选为外界环境，以允许曲轴箱压力被严密控制在外界环境压力处，或大约为外界环境压力，以减少发动机密封件上的压力。

根据本发明的实施例的分离器通过将泵所提供的有效压降划分为横跨两级或更多级分离器，相比于利用相同的压降的单个分离器，这能够实现明显更高的效率，包括计重分离效率和分级分离效率。如果不是得益于具有外部能源的泵，是不能够得到这样明显的结果的。同时，所述可变撞击分离器允许分离效率最大化，且同时提供横跨分离器的有效的压力调节，以防止曲轴箱压力落入低于或高于容限的范围。该可变撞击分离器还根据可用泵压来控制通孔的开口面积。对通孔的开口面积的这种控制减少或完全消除了泵压波动效应以及高低压力波动，这些经常发生在具有不可调节或较差调节性能的泵式分离器中。

对于其中一个可变撞击分离器或可变撞击分离器中的至少一个，所述撞击表面可位于所述第二腔体内并且用以使所述第一流体进入所述第二腔体之后发生偏转，从而将污染物从所述第一流体中分离出来。

对于其中一个可变撞击分离器或可变撞击分离器中的至少一个，可选定所述通孔的形状，以使得所述通孔的开口面积的变化率对所述第一腔体和所述第三腔体之间的压差的变化具有非线性响应。

对于其中一个可变撞击分离器或可变撞击分离器中的至少一个，所述致动器可包括将所述第一腔体与所述第三腔分隔开的隔膜。

对于其中一个可变撞击分离器或可变撞击分离器中的至少一个，所述第一腔体可由一内管所限定，所述内管用于在所述内管的第一端处接收所述第一流体，并且第二腔体由围绕所述第一腔体的外管所限定，所述内管的第二端由所述隔膜封闭。

对于其中一个可变撞击分离器或可变撞击分离器中的至少一个，所述隔膜用于响应于所述第一腔体和所述参考压力之间的压差的变化而沿着所述内管的轴向移动。

对于其中一个可变撞击分离器或可变撞击分离器中的至少一个，所述通孔可包括穿过所述内管的壁的通槽，并且所述隔膜还可包括挠性部分，所述挠性部分用于随着隔膜的运动而渐进地覆盖或不覆盖所述通槽从而改变所述通孔的开口面积。在可选实施例中，所述通槽可被位于各腔体之间的一连串的离散的通槽、通孔或其他开口所代替。

所述分离器还包括用于允许液体污染物从所述分离器中排出的排出管。

所述第一级分离器包括一可变撞击分离器，并且所述第二级分离器包括连接在所述第一级分离器和所述泵之间的过滤介质，所述过滤介质包括穿过所述过滤介质的通道，用于捕获所述第一流体中夹带的污染物的一部分。

所述泵可包括第四腔体，所述第四腔体具有用于将第二流体接收至所述第四腔体的第二入口以及用于接收所述第一流体的第三入口，所述第二入口包括用于加速所述第二流体的渐缩喷嘴，所述第三入口相对于所述第二入口而设置，以使得所述第二流体可以夹带并且加速所述第一流体。可选地，所述泵为电动泵或液压泵。

所述分离器还可包括连接在所述第一入口和所述第一级分离器之间的气旋预分离器，所述气旋预分离器用于使从所述第一入口所接收到的第一流体通过螺旋进程被加速以从所述第一流体中分离出污染物。

所述第一级分离器可包括一可变撞击分离器以及限定了所述可变撞击分离器的第一腔体的内管，该内管向下延伸进入所述气旋预分离器以形成所述气旋与分离器的涡流探测器。

根据本发明的第二方面，提供了一种曲轴箱通风系统，包括：不吹漏气进气管，用于从曲轴箱接收吹漏气；以及根据前述的分离器，其中所述第一入口连接至所述吹漏气进气管。

所述泵用于连接至发动机进气系统、汽车排气系统或将气体排放至外部环境。

根据本发明的第三方面，提供了一种内燃发动机，包括上述曲轴箱通风系统，其中所述第二入口用于接收来自于涡轮增压器的压缩气流，并且所述分离器运转从而从所述吹漏气中分离曲轴箱油。

在本发明的又一实施例中提供了一种用于从流体中分离污染物的分离器，所述分离器包括：第一入口，用于接收夹带有污染物的第一流体；依次连接在一起的第一级分离器和第二级分离器，所述第一级分离器和第二级分离器连接至所述第一入口，以从所述第一入口接收所述第一流体，每一级分离器用于从所述第一流体中分离出污染物；以及连接至所述第二级分离器的泵，所述泵用于形成降压区域，以通过所述第一级分离器和第二级分离器吸入所述第一流体；其中，各级分离器中的其中一级分离器包括一可变撞击分离器，所述可变撞击分离器包括：用于接收所述第一流体的第一腔体；通过至少一个通孔与所述第一腔体连通的第二腔体，用于使得所述第一流体通过所述通孔被加速并且入射到一撞击表面，从而使得污染物从所述第一流体中被分离；以及用于根据所述第一腔体内的流体压力和第三腔体内的参考流体压力之间的压差来调整所述通孔的开口区域的致动器；以及，各级分离器中的另一个分离器包括另一可变撞击分离器、过滤介质以及连接到所述第一入口和所述可变撞击分离器之间的气旋预分离器中的一个。

附图说明

图1是包括了封闭式曲轴箱通风系统的发动机系统的示意图；

图2是包括撞击分离器的CCV系统的剖视图，该撞击分离器具有随曲轴箱压力变化的响应变量；

图3是图2中的撞击分离器的放大图；

图4是图2中的撞击管的立体结构示意图；

图5是CCV系统内可替代的撞击分离器的剖视图；

图6是图5的处于封闭位置的CCV系统撞击分离器的隔膜形成位置的放大图；

图7是图5的处于打开位置的CCV系统撞击分离器的隔膜形成位置的放大图；

图8是根据本发明的第一实施例的CCV分离器的剖视图，其包括第一级和第二级撞击分离器，每一级撞击分离器具有随曲轴箱压力变化的响应变量；

图9是根据本发明的第二实施例的CCV分离器的剖视图，其包括第一级撞击分离器和第二级介质分离器，该撞击分离器具有随曲轴箱压力变化的响应变量；

图10是多级分离器的整体计重分离效率的变化示意图，和各级撞击分离器的计重分离效率变化示意图，其中多级分离器包括两个、三个或四个撞击分离器；

图11是来自2010柴油机吹漏气的浮质挑战质量分数的示意图，该浮质在0.02μm至8μm之间；

图12是单级可变撞击分离器的压差和分级分离效率之间的相互依赖关系示意图；

图13是120mBar和60mBar可变撞击分离器的分级分离效率，以及在二级分离器中的两个60mBar可变撞击分离器的每一级的目标分级分离效率示意图；

图14是120mBar和60mBar可变撞击分离器的分级分离效率，以及包括两个依次连接的60mBar可变撞击分离器的二级分离器的分级分离效率示意图；

图15是100mBar和50mBar可变撞击分离器的分级分离效率，以及包括两个依次连接的50mBar可变撞击分离器的二级分离器的分级分离效率示意图；以及

图16是无源可变撞击分离器、辅助泵可变撞击分离器、低密度过滤介质以及依次连接的辅助泵可变撞击分离器和低密度过滤介质的组合的分级分离效率示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

将净化后的气体回流至发动机进气口的发动机吹漏气/油分离器的传统设置通常被称作为封闭式曲轴箱通风系统(CCV系统)。已知CCV系统要求使用曲轴箱压力调节器，以确保发动机进气口所产生的过度真空不会通过CCV分离器被转移到发动机曲轴箱。

参见图1，其示出了传统的CCV系统2与柴油机4连接的总体布局。来自发动机曲轴箱的吹漏气沿着进气管6传到CCV系统2。CCV系统2包括压力调节器8，压力调节器8与进气管6和污染物分离器10连接。压力调节器8和分离器10的连接如图1所示。

CCV系统内可选地安装有泵12(图1中未独立显示)，以升高横跨分离器10的压降，进而提高过滤效率。净化后的吹漏气穿过气体出口14离开CCV系统并被回流至发动机进气口系统。特别地，发动机进气口系统通过进口16从汽车的外部吸入气体，然后该气体穿过进气过滤器和消音器18、由涡轮增压器22驱动(与发送机排气管24轮流驱动)的压缩机20以及压后冷却器26，压后冷却器26用于将压缩空气在进入发动机4之前进行冷却。该净化后的吹漏气从气体出口14流至压缩机20。从吹漏气中分离出的油和其他污染物通过排出管28回流至发动机曲轴箱。

在图1的系统中，产生于涡轮增压器22和进气过滤器和消音器18之间的一部分真空在吹漏器分离器10的上方损失。压力调节器8控制任何剩余的、可能会暴露至发动机曲轴箱的真空。由此可见，由涡轮增压器22吸入的总气流并不必然地通过关闭调节器8来限制，因为该压差可通过发动机进气过滤器和消音器18来形成。

现参见图2，其示出了用于从吹漏气流中分离出液体、浮质和颗粒污染物的CCV系统的剖视图。该分离器包括可变撞击分离器，其可自动调节吹漏气所经过的通孔的尺寸，以优化分离效率，并且提供整体压力度调节，从而防止由泵形成的真空随时间的变化而导致的曲轴箱内的过度压变。图2示出了包括独立的压力调节器8、分离器10和泵12各部分的CCV系统2。

该压力调节器8包括浮动的膜瓣30，其可开启或关闭，以按需要来限制吹漏气流和调节曲轴箱的压力。吹漏气通过CCV进气管6进入调节器第一腔体32。第一腔体32处于与发动机曲轴箱相同的压力下。膜瓣30至少部分封闭第一腔体32和第二腔体34(依次与分离器10连接)之间的间隙。膜瓣30的第一侧与第一腔体32内的吹漏气接触。膜瓣30的第二侧与第三腔体36内环境气体接触，该第三腔体36具有连至周围环境的开口。可替代地，调节器第三腔体36也可连接至独立的参考压力。

膜瓣30的移动由第一弹簧38和第二弹簧40所控制。第一弹簧38位于第二腔体34内，并且阻止膜瓣30关闭第一腔体32和第二腔体34之间的间隙的动作。第二弹簧40位于第三腔体36内，并且阻止膜瓣30开启第一腔体32和第二腔体34之间的间隙的动作。第一弹簧38、第二弹簧40响应的调整，和膜瓣30的第一和第二侧的相应尺寸的调整，是根据吹漏气和环境气体的压力来进行的，该调整可用于控制膜瓣30的移动的速度和范围。

整体泵12通过形成比压缩机的有效真空度更高的真空，以通过分离器10吸入吹漏气，从而提高了CCV系统2的分离效率。第一腔体32中的压力根据泵12的规格调节至所需的曲轴箱压力，从而生成所需的真空，其中，在压力调节器8内适度的压力如何调节弹簧弹力以及分离器10的压力如何响应，在下文中将更详细地进行描述。第二腔体34内的压力通过分离器两边的可变压损(根据分离器10的压力响应)和泵12所产生的真空来限定。该泵12所产生的真空由沿着所选泵12的流量与压力性能之间的关系曲线的工作点来确定。

应该理解的是，对于泵式CCV分离器系统，可通过调节膜瓣30的位置来完全限制通过泵12的流量。对于图2所示的压力调节器8，如果膜瓣30与分隔第一腔体32和第二腔体34的管状壁42的端部相接触，则第一腔体32和调节器第二腔体34之间的气流会被阻断。这对泵12所起的作用与泵压波动现象相似，其中不经调节的活塞泵可引发输出压力的峰值。由大部分或完全封闭压力调节器8形成的限制流会将泵12的工作点移动至相应的低流量和高真空位置处。在第二腔体34中产生的升高的真空度进一步增大了作用到真空调节第一弹簧38、第二弹簧40上的力，并且吹漏气流被进一步限制。只有由发动机曲轴箱内的正压力增大所产生的更大的力作用到膜瓣30上时，才能够再次开启压力调节器8。如上文所述的，曲轴箱内积累的过度压力会导致曲轴箱损坏和漏油。高低压波动的闭合回路控制周期在调节器和泵之间产生作用，而这无法通过传统的线性响应调节器来进行控制。

泵式CCV系统中高低压波动的问题在其他形式的曲轴箱通风系统也出现过。尤其是，压力波动可能会发生在开口式曲轴箱通风系统、无泵封闭式曲轴箱通风系统以及排气泵通风系统中。更为普遍地，与传统调节器相关的上述问题可发生在任何包含压力调节器的系统中。

改进后的调节器解决了高低压波动和泵压冲击的问题，该调节器在帕克汉尼汾(UK)公司(本申请人)申请的WO-2011/070341-Al的分离器专利申请已公开。根据本发明的一些实施例，CCV系统的撞击分离器所包括的压力调节器，与WO-2011/070341-Al中公开的压力调节器结构相似。

泵12用于形成低气压区，以便通过分离器10吸入受污染的吹漏气。根据本发明某些实施例的泵12可被认为是一类喷射泵。在WO-2009/037496-A2中公开与分离器相结合的相似的喷射泵。泵12的第二入口50用于接收压缩气体源，在此处被称作增压气体。增压气体可由涡轮增压器22或其他任何诸如废气的压缩气体源来提供。该增压气体不需要高速进入增压气体入口。尽管处于压力下，增压气体却可以为静态的。可选地，增压气体可从废气或涡轮增压器获得，并且在被送入增压气体入口之前，存储在独立设置的存气腔体或收集器中。

增压气体通过增压第二入口50进入泵12。当增压气体在涡轮增压器发动机上使用时，该增压气体可来自于诸如进气歧管的压缩气体源。可替代地，压缩气体可直接来自于涡轮增压器22，但最好是从进气歧管得到压缩气体，因为在这个阶段涡轮增压器22气体已通过热交换器(或被称作中间冷却器)，这使得其从大约180-200℃冷却至50-60℃。使用冷却器增压气体允许分离器能够由无需耐高温的较低成本的材料制成。可替代地，在涡轮增压器上游或下游得到的废气可用作增压气体。增压气体的压力通常介于1Bar绝对压力至4Bar绝对压力(高于大气压力3Bar)之间。

增压气体流经一喷嘴52，喷嘴52对增压气体进行加速(并且导致压力随之下降)。喷嘴52形成为收敛喷嘴。特别地，喷嘴也可以为敛散喷嘴，诸如本领域所熟知的de-Lavaal喷嘴。也有其他适合的喷嘴形状，包括任何具有收缩的中部的喷嘴。增压气体被加速到高速，例如100-500m.s-1之间，且增压气体通常至少在喷嘴52的区域内超过1马赫。收敛喷嘴有利于将增压气体加速至非常高的速度，随之夹带吹漏气并且将吹漏气加速至高速。喷嘴52用于形成降压区域，以吸入吹漏气。

所得到的高速增压气体喷射进入腔体54内。喷射高速增压气体使得在腔体54内邻近喷嘴52的位置形成降压区域。相对于外部大气压力，压力降低量高达300mBar。由于发动机磨损与新发动机的性能有关，有效压降大小需要与吹漏气流量的显著增加相适应。随着发动机组件、尤其是活塞密封件的磨损，吹漏气生成量增加，可变撞击分离器增加了通孔的开口面积以允许更大体积的吹漏气穿过，从而将曲轴箱内的压力维持在预定的限制内。其结果为，对于一个已经磨损的发动机，腔体54内的相对于外部大气压力的压降可低于大约150mBar。该压降允许来自分离器10的净化后的吹漏气流被吸入腔体54中。来自压力调节器8的吹漏气经过分离器10的情况将在下文详述。吹漏气吸入到腔体54内。吹漏气由增压气体夹带并且加速，与增压气体混合并且加速以达到增压气体的速度。

如本领域所公知的，增压气体的喷嘴52和环形吹漏气入口54通常以喷射泵的形式构建。混合后的气流进入一扩散管110。为了达到满意的吹漏气夹带和加速效果，扩散管110的直径优选应比增压气体的喷嘴52的临界直径(典型地说，即最小直径)大2-5倍，更优选的为3-4倍。如喷嘴设计领域所公知的，由于气动效应，临界直径(可选地，被称作喷嘴的喉部)的位置可从喷嘴的最窄点开始变化。

扩散管110通常形成为圆柱体，然而其侧壁并不必在整体长度上都是笔直的。侧壁可从扩散管110靠近喷嘴52的端部向远离喷嘴52的端部逐渐扩大形成锥形。这种锥形有助于控制混合气流的流向和混合。

受污染的吹漏气被吸出曲轴箱，并且经过分离器以控制曲轴箱压力。曲轴箱内的该压力通常被控制在相对于外部大气压力+/-50mBar的范围内，且与大气压力的压差由压力调节器8进行控制，如上文所述。调节器第一腔体32内的压力从曲轴箱压力降至腔体54内的低压，所产生的压降允许在分离器10内进行更高效率的分离，这一点将在下文详述。

应该理解的是，尽管在本说明书中描述的泵的主要形式为图2所示出的喷射泵，然而也可使用诸如电子泵等其他已知形式的泵以达到所需的横跨分离器10的压降。横跨分离器10的压降由泵12所形成，该压降克服了分离器10的高压差并且不会导致过高的曲轴箱压力。也即，由于泵12引起的压降，吹漏气可通过更小的撞击间隙被吸入，这使得分离更为有效。

在吹漏气通过压力调节器8进入第二腔体34中后，该气体通常沿着由箭头62所指示的路径、通过气旋预分离器61被吸入分离器的入口管60中。该气旋预分离器61通常是圆锥型的，并且吹漏气从压力调节器8经由入口朝着该圆锥的一侧进入。分离器的入口管60向下伸入气旋预分离器61中并且用作该气旋预分离器61的涡流探测器。气旋气流使得污染物受到气旋预分离器61的壁的反作用力，一部分污染物从吹漏气中分离出并且向下朝着排出管28流动，而同时吹漏气被向上吸并通过分离器的入口管60。

入口管60在其上端被隔膜64部分闭合。然后吹漏气穿过一个或多个通槽66并且入射到环形的撞击表面68上。油和其他污染物在撞击表面68处从吹漏气中分离出，在重力作用下流动至入口管60周围的油槽70中，然后通过止回阀72进入气旋预分离器61并向下沿着气旋预分离器61的壁流动至排出管28。此外，已经在压力调节器8内从吹漏气中被分离出的油也流动至油槽70。从排出管28流出的油返回至曲轴箱。

由于分离器10可响应吹漏气入口压力和出口压力之间的压差来提高分离效率，则该分离器10可被认为是可变撞击分离器，这将通过结合图3来进行说明。

受污染的发动机曲轴箱吹漏气沿着箭头62的路径进入入口管60。入口管60的上端与环形的撞击腔体80被隔膜64所隔开。由于隔膜64朝向或远离入口管60的上端进行运动，因此它可与入口管60的上端形成径向密封，并且可将隔膜64设置为永不完全接触入口管60。隔膜64还可将入口管60的内侧与入口管60上方的腔体82隔开。腔体82通过连接至CCV系统外部的进气口(未示出)而保持在大气压力下。入口管60的内部处于与发动机曲轴箱大致相同的压力下，以允许横跨压力调节器8的任何压差。

吹漏气通过一个或多个垂直的通槽66进入撞击腔体80，其中，通槽66在入口管60的上端处开口而形成。通过图4的立体结构图可以更清楚地理解通槽66的形状。通槽66的尺寸和数量决定了横跨可变撞击分离器系统的最小压降。该压降直接与CCV系统的分离效率有关。由于吹漏气的径向加速度发生了180°C的转弯，使得吹漏气中的油颗粒进行撞击和分离，这一过程发生在隔膜64表面和环形的撞击表面68。与通槽66相对的撞击表面68上可覆盖一材料，以提高撞击表面68外侧壁上油滴复原效率，使得撞击表面68不仅仅作为输送通道。覆盖在撞击表面68上的介质用于防止污染物再次夹带到吹漏气中。如上文所述，在撞击表面68处，油从吹漏气中分离出，然后在重力作用下流至油槽70并且最终到达排出管28。

在被撞击表面68偏转之后，气流向下朝着油槽70流动。然后通过折流板使得气流转向，改为向上流动，如图2中的箭头56所指示的。图2示出了该折流板，其朝着过滤器的外侧壁向上倾斜，并且在折流板靠近入口管60的壁的内边缘处具有排出管。或者，折流板朝着过滤器的外侧壁向下倾斜，并在靠近壳体外壁处具有朝向折流板外边缘的排出管。这样，在折流板上方流动的气流可以帮助促使折流板表面上的油向外朝着排油管流动，以将油排到油槽70中。

与撞击腔体80的下游连接的喷射泵12用于克服可变撞击分离器的压降。因此，可达到的分离性能不再受限于传统的无源撞击器系统。同时可以维持接近于大气压的可接受的曲轴箱压力。

随着发动机负载、速度或发动机制动条件的改变，喷射泵12所产生的真空以及经过分离器10的吹漏气的体积都会发生改变。为了能根据喷射泵12所产生的不同真空条件，来维持可接受的曲轴箱压力，入口管60的顶部和通槽66开口端上方的隔膜64之间的间隙可通过隔膜64打开和关闭。腔体82保持在大气压力下，以使得隔膜64上的任何净正压都将使得隔膜64打开，在入口管60的端部上方生成或扩大环形间隙，这会减小横跨分离器10的压降。一旦通过喷射泵12形成了净真空，隔膜64就完全关闭(这如上面所指出的那样，可能会导致隔膜64接触入口管60的顶部，或者维持间隙)，以确保分离器10以最大分离效率运行。根据调节弹簧84的规格，可以精确调节分离器10的压差曲轴箱压力。调节弹簧84在入口管60内的支撑件86和隔膜64之间延伸，隔膜并且在中间部件88处连接至隔膜64。此外，可在腔体82中提供第二调节弹簧以作用在隔膜64的另一侧上从而控制正压。

上面根据图2至4的CCV系统，说明了用于控制曲轴箱压力和撞击分离器10的压力调节器8。或者，分离器10可设置有一个或多个通槽66，根据吹漏气压力和大气压力之间的压差，通槽66的形状可以设计为具有合适变化的开口横截面面积，该变化可通过具有特定横截面积的通槽来获得。这可作为对压力调节器8的补充或者作为对压力调节器8的完全替代。图5中示出了包含这样的可变通槽的分离器10。

图5示出了包含了可变撞击分离器中的抗泵压波动调节器的功能的分离器10。隔膜64包括一滚动隔膜，用于精确调整可变通槽侧面的孔，从而调节曲轴箱压力并且控制泵压波动现象。尤其是，隔膜64包括连接至调节弹簧84的中间部分100。对于图2和3的实施例，在标准大气压力的撞击腔体80内可安装另一调节弹簧。隔膜64进一步包括环形的挠性的滚动部分102，其可以是一滚动回旋面，随着中间部分100的向上和向下运动，该滚动回旋面逐渐地覆盖或不覆盖通槽66。如图2所示，图5的分离器包含气旋预分离器61，其在吹漏气到达可变撞击分离器之前，将吹漏气内的污染物的一部分分离出来。对于图2中的分离器，吹漏气经由朝着气旋预分离器61一侧的开口进入气旋预分离器61，入口管60向下伸入气旋预分离器61中并且用作涡流探测器，以使得吹漏气大致沿着箭头62的路径流至入口管60。

滚动隔膜64可根据泵12的有效真空压力，来优化分离器10的性能。随着有效真空度的增加，隔膜64关闭，从而提高速率、分离性能以及横跨分离器10的压差，直至通过分离器10的入口压力被均衡为大气压力。通槽66通常包括锥形的槽，其可如图所示地弯曲。通槽66朝着隔膜64的方向明显扩宽，以便在泵12的有效真空度降低时，提供大流量的吹漏气，进而防止曲轴箱压力过度升高。

如图6所示，隔膜64处于基本关闭的位置，但可以理解的是，该隔膜64可以进一步向下运动。仅在通槽66的底部、狭窄的部分露出以允许气体流过。在图7中，隔膜64处于近乎完全开启的位置，但可以理解的是，隔膜64可以进一步向上运动。通槽66的更多部分被暴露，包括加宽的上部，并且可供气体流过。当通槽66完全未被覆盖时，可看出其具有狭窄的、渐缩的下部以及显著加宽的上部。通槽66的狭窄部分用于产生所需的精确压力控制功能以抑制泵压波动情形。当隔膜64下降时，最小开口面积可形成横跨分离器10的高压差，并为泵12的有效真空提供优化的撞击性能。当隔膜64升高时，通槽66大的上部区域匹配用于调节高流量情况下的曲轴箱压力，该高流量情况可能也会出现在旧发动机或在发动机制动时。隔膜64可以下移到极限位置，从而完全覆盖通槽66，隔膜或确保通槽66的最小一部分保持开启。对该弹簧或每个弹簧的响应的调整，以及对由吹漏气、外界气压和泵真空所操控的隔膜64的第一和第二侧的相应尺寸的调整，可用于控制隔膜64的移动速率和幅度。

通槽66包括可变截面的撞击通槽。通过隔膜64的移动而引起通槽66的开口面积变化，既有利于从吹漏气流中分离出颗粒，也有利于控制曲轴箱压力。吹漏气流包括以相同速度进行移动的一定范围尺寸的颗粒，不同尺寸和质量的颗粒具有不同的动量。大动量的较重颗粒穿过通槽66的较宽部分朝向入口管60的顶部而离去。较轻颗粒则通过通槽66的较低部分离开入口管60。由于通槽66在底部较小，较轻颗粒被加速至较高的速度，以提高它们的动量。有利地，这减小了小颗粒和大颗粒之间的动量差，通孔减小了小颗粒和大颗粒之间的分离效率差，并且无需限制通孔尺寸(这会导致曲轴箱压力的增加)的情况下。

进一步地，可变截面面积的撞击通槽66改进了横跨分离器10的压力控制。当隔膜64升高并且露出通槽66的宽的上部分时，这形成的大通孔尺寸，能够适应大体积吹漏气的情况，同时将横跨分离器10的压差(并因此也将吹漏气的入口压力以及曲轴箱压力)维持在容限内。当隔膜64在低流量情况下降低时，通槽66较低截面的开口面积减少，会增加横跨分离器的压差，进而防止在曲轴箱内产生负压(相对于大气压力)。通孔横截面面积的变化对于隔膜66的线性移动有一非线性压差响应，这使得可对横跨分离器10的压差进行改善、控制和调节。

隔膜64的运动确保了由泵12所提供的有效压降可以有效地用于实现污染物的分离，而不会使曲轴箱压力降至低于预设限值。这是相对于图3的分离器的改进，因此通孔的开口面积不会急剧的改变。图3的分离器的作用在于：泵12所产生的一部分真空吹扫过通孔，这就要求一独立的压力调节器来调节曲轴箱压力。由图5至7中所示的分离器所提供的对压力控制的改进，使得在某些实施例中可以省略在吹漏气进入CCV系统入口处的独立的压力调节器。可以理解的是，通槽66的具体形状可不尽相同。例如，通槽66可螺旋地围绕入口管60延伸。螺旋形的通槽66在其封闭端处渐缩之前通常在其长度的至少一部分上可为等宽的，以针对隔膜64的给定运动的孔径的横截面积提供合适的非线性响应。在可替代的实施例中，一个或多个沿着入口管60向上延伸的通槽66，可以为多个穿过入口管60壁的独立的封闭通孔，该通孔被或不被隔膜64覆盖。例如，可沿着螺旋线设置一排通孔以代替螺旋通槽66。通孔的尺寸可沿着螺旋线的长度而变化。

隔膜64包括一致动器，用于控制经过通槽66的吹漏气流。通槽66切入入口管60的侧壁中。通槽66与管状结构的入口管60一起限定了开口区域，吹漏气可以穿过该开口区域而流动。通槽66的形状用于确保通槽66两侧的压差与流速和由泵12形成的真空特性相适应。通过控制通槽66的形状，可以得到泵12形成的真空、大气压和曲轴箱压力的变化与隔膜64相应的移动距离之间的线性或非线性关系。更具体地，通槽66的形状可以选择成为，使得以恒速运动的隔膜64的运动可以引起通槽66开口区域的非线性响应。任何闭环控制功能都可通过隔膜64响应于来自泵的给定输入而有效形成。相比于传统的分离器和撞击器结构，本发明的曲轴箱压力调节更为精确。此外，由于曲轴箱压力调节与分离器相结合，因此无需提供额外的压力调节器。通过准确地控制吹漏气的流量，可提高分离效率。

由图5的通槽66可知，随着隔膜64向下移动，通槽66的开口区域的缩小速度会增大。这是因为通槽66朝着其封闭端渐缩。隔膜64的运动可被限制以确保开口区域永不会被完全地关闭。

对于本领域普通的技术人员来说很显然的是，通槽66的形状可发生明显变化以实现期望的闭环控制功能。例如，为了防止开口区域完全封闭，通槽66可朝着其封闭端变宽、保持宽度不变或可在一开始渐缩、最后则为扩大部分。此外，可围绕入口管60的侧壁设置具有不同尺寸和形状的多个通槽66。更显然的是，隔膜64覆盖或不覆盖通槽66的运动方式可发生变化，滚动回旋面的替换方案对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且落在随附权利要求书的特定范围内。本发明的权利要求所指的可变撞击分离器，其应被认为是覆盖了任何结合有压力调节器的可变撞击分离器，其中分离器的第一腔体和第二腔体通过一个或多个通槽66连通，并且该通槽66的开口区域可根据隔膜64或其他可运动的致动器的位置而变化，该致动器根据第一腔体和/或第二腔体内的气体与外部第三腔体内的参考压力之间的压差来调整其位置。

在此，可变撞击分离器作为CCV系统的一部分已进行了重点描述。然而，对于本领域普通技术人员而言显而易见的是，它们还有更广泛的应用。更普遍的，这样的分离器可用在凡是需要从液流中过滤污染物、并且期望调节第一腔体和第二腔体之间的流体压降(参考外部压力)等应用中。典型地，流体可为气体。根据本发明，为消除或缓和上面描述的泵压波动效应以及压力波动，分离器对具有泵的系统具有特别的优势。

已经发现上述分离器可提供95-98%范围内的计重分离效率。典型地，可采用这样的分离器在吹漏气流量为50-1500l/分钟的闭环系统中从吹漏气中过滤污染物。当使用来自于发动机的涡轮增压器的增压气体时，增压气体穿过喷嘴的流量通常小于总发动机气流的1%，因此对发动机性能所造成的影响可忽略不计。

本申请的发明人已经认识到，通过采用多级分离器可进一步提高分离效率，其中至少一个分离器包括上述结合在泵内的可变撞击分离器。已知对于不具有外部能源泵的分离器，依次连接多个分离器并没有对分离效率产生显著的提高。然而，本发明的发明人发现，通过提供泵，例如喷射泵，经由分离器吸入吹漏气，使得使用多级分离器来将计重分离效率提高至所需水平成为可能，从而满足严格的排放法律所规定的要求，而同时将泵功耗最小化。依次连接在一起的多级有源可变撞击分离器，或者依次连接在一起的具有过滤介质的有源可变撞击分离器，可被特别地设计为，相比于由相同功率的泵驱动的单级可变撞击过滤器而言，具有更高的计重分离效率，而同时又能将曲轴箱压力维持在容限内。目前已发现，在没有由泵提供额外动力的情况下，当应用在柴油机的吹漏浮质的分离时，依次连接的撞击分离器不能实现计重分离效率的提高。泵的应用允许将各级分离器的分级分离效率优化为发动机的浮质挑战分布特性，从而带来计重分离效率的整体提高。

分离器的分级分离效率是按照颗粒尺寸应变量测量的分离效率。对于多级分离器，每一级分离器所需的分级分离效率可以与单级分离器的同等分级分离效率相比，以获得对于特定颗粒挑战分布(即，对于吹漏气中给定的颗粒尺寸分布)的相同的计重分离效率。对于提供了整体压差，例如，100mBar的压差的泵式分离器，可计算满足上述类型的单个100mBar可变分离器的吹漏气所提出的颗粒挑战的所需分级分离效率。还可以计算依次连接的两个50mBar可变撞击分离器所需的分级分离效率。本发明的发明人已经发现，每个50mBar可变撞击分离器的分级分离效率，与上述根据图2-图7所示的50mBar可变撞击分离器测得的分级分离效率相当或略低。也就是说，通过将横跨两级分离器的泵的有效压差拆分来替代单个分离器，可提高计重分离效率，例如，可从95%提高至高于99%。基于主导发动机状况(包括所产生的吹漏气体积以及吹漏气内的污染物的成分)的不同，计重分离效率可接近100%。这种显著的并且至今尚未发现的结果，允许使用与构造上述可变撞击分离器相同的技术，以进一步实现更高的分级分离效率和整体计重效率。多级分离器如何实现这种提高将在下面结合图10至15给出更具体的数学公式。

根据本发明的实施例，图2至7中示出的可变撞击分离器可与第二级分离器结合(并可选地多于一级额外的分离器)。第二级分离器可为图8中示出的相似的第二级可变撞击分离器。可替代地，第二级分离器可以为图9中示出的介质分离器。在上述两种情况下，两级或多级分离器还可包含图2和5中示出的那种气旋预分离器。

参见图8，其示出了根据本发明第一实施例的分离器。该分离器包括气旋预分离器200、第一级分离器202以及喷射泵204，其各自大致与图5所示的气旋预分离器61、分离器10以及喷射泵12相同，因此在此将不再完整描述。然而，与图5所示的分离器不同的是，在第一级分离器202和喷射泵204之间具有第二级分离器206。第二级分离器206与第一级分离器202大致相同，然而其可通过使用具有不同的弹簧响应速度的弹簧来进行优化，以进一步提高整体分级和计重分离效率。尤其是，为了优化整体计重分离效率，第二级分离器206中的弹簧的弹簧响应速度可以选择为，允许喷射泵204形成的一部分真空通过第二级分离器206释放，从而允许对由两级分离器之间的真空形成的有效压差的分割进行微调，以便去调整每一级分离器的分级分离效率。吹漏气通过分离器被喷射泵204吸入，使得吹漏气在通过出气口210被排出之前，从第一入口208依次穿过气旋预分离器200、第一级分离器202和第二级分离器206。

如图5中所示的分离器，各级分离器202、206结合了撞击分离器内的抗泵压波动调节器的功能。基于滚动隔膜212的各级分离器202、206的功能等效于图5中的分离器，各级分离器用于精确调整可变通槽形态的通孔以调节曲轴箱压力，并且根据来自泵204的有效真空压力来最大化分离效率，以改变入口管214的内侧和围绕入口管214的环形腔体之间的通孔的开口区域。隔膜212持续将撞击压降与喷射泵204形成的瞬变真空条件进行匹配。然而，与图5所示出的不同的是，通槽216的形状与隔膜212一起限定了各级分离器的通孔。特别地，每个通槽216螺旋地围绕入口管214的至少一部分，使得隔膜212沿着入口管214的轴的运动导致通孔的开口区域变化得更快。对于图5中的通槽66，优选地，各级分离器202、206中的通槽216朝着其封闭端渐缩，以允许通孔的开口区域随着隔膜212的位置的线性变化速率以及横跨各隔膜212的压差的线性变化速率进行非线性变化。这使得曲轴箱压力控制可以平滑控制，并且避免了泵压波动以及横跨分离器的压力波动，尤其是当其使用喷射泵204时。进一步的优点在于，由于曲轴箱压力调节器被整合在分离器中，从而无需再提供单独的调节组件。

各通槽216的形状被设置为，可对横跨各级分离器的入口压力和出口压力的变化提供适合的响应。可以理解的是，通槽216的形状在两级分离器202、206之间可以不同。通槽216的形状可与图5至8中示出的那些有很大的不同。此外，该弹簧的弹簧响应速度、以及对由吹漏气和外界气压所操控的隔膜212的第一侧和第二侧的相应尺寸的调整，可用于独立地控制各隔膜212的运动速度和范围。

可变撞击分离器的通槽216改进了横跨各级分离器202、206的压力控制。当隔膜212被升高并且通孔尺寸增加时，这使得可以形成大的通孔尺寸，以便适应大容积吹漏气条件，同时将横跨分离器的压差(并因此将吹漏气的入口压力以及曲轴箱压力)维持在容限内。当隔膜212降低时，通槽216下部的开口区域减少，横跨分离器的压差增加，因而防止了在曲轴箱内产生负压(相对于大气压力)。若需要，横截面积的变化可用于提供针对隔膜212的线性运动的非线性压差响应，这允许对横跨分离器的压差进行改进的、可控的调节。压差调节的改进允许在本发明的某些实施例中省去位于CCV系统的吹漏气入口处的压力调节器。

有利地，诸如图8中示出的喷射泵204的使用，能将多级分离器的各级的分级分离效率提高至可使整体计重效率得到提高的水平。此外，通过对各级分离器的适当控制，分离器的分级分离效率可与从任何给定发动机处接收的吹漏气内的特定油质颗粒尺寸分布相匹配。

第一流体，如吹漏气以如下方式穿过图8的分离器：吹漏气进入并穿过连接至发动机的曲轴箱的第一入口208。该气体沿着箭头230的路径进入气旋预分离器200，在此处该气体形成了围绕涡流探测器232的气旋螺旋，该涡流探测器232构成了第一级分离器202的入口管214的基部。污染物的一部分洒落在气旋预分离器200的壁上并向下流入排出管234，同时气体沿着箭头236的路径向上流动穿过入口管214。吹漏气以与上面结合图5至7描述的方式相同的方式穿过各级分离器202、206，向上穿过入口管214，穿过通槽216并且向下返回沿着箭头238的路径，穿过围绕入口管214的由同轴外管所限定的环形撞击腔体。随着吹漏气加速经过通槽216并且与形成在所述撞击腔体内的撞击表面撞击，油和其他污染物发生分离。形成在撞击表面的聚结介质，也许可以减少污染物的再污染率。该聚结介质降低了颗粒污染物从撞击表面反弹的趋势。

根据横跨在入口管214内侧和第三腔体240内的参考压力之间的隔膜的压差，可通过每个隔膜212的位置，确定每个通槽216的开口区域。每个第三腔体240可连接至外界环境或可连接至任何参考气压。隔膜212的额外的运动受控于调整弹簧242的弹簧响应速度，该速度可彼此不同。还可设置连接至第三腔体240内的隔膜的弹簧，以作为除调整弹簧242之外的补充或替代弹簧242。在一些实施例中，也可以根本不需要任何弹簧。从吹漏气中分离出的油向下流动并且穿过止回阀244流向排出管234。净化后的吹漏气从第一级分离器202大致沿着箭头246的路径直接向上到达第二级分离器206。在经过第二级分离器206之后，净化后的吹漏气大致沿着箭头248的路径直接向上到达喷射泵204，在此处，吹漏气由穿过喷嘴250进入喷射泵204的增压气体加速。该增压气体和清洁后的吹漏气经过扩散管252离开喷射泵204。

如上所述，图8中的多级分离器还包括气旋预分离器200，然而可以理解的是，它在一些替代的实施例中可被省去。此外，尽管图8中的分离器结合有两级提供惯性撞击的可变撞击分离器，然而可以理解的是，可提供更多级分离器，其中每一级分离器在由喷射泵提供的、部分横跨分离器的整体压差下工作。

参见图9，其示出了根据本发明的第二实施例的分离器。该分离器与图8中示出的分离器大致相同，区别在于，第二级分离器206被过滤介质分离器218代替。已示出了在可变撞击分离器202内(并且如果存在的话，也在气旋预分离器内)的惯性撞击的这种结合(接下来是纤维深度过滤)，可以提供极其高的分级和计重效率。尤其是，某些类型的已知过滤介质特别适于过滤非常小的颗粒污染物。由于可变撞击分离器的作用，过滤介质不会被较大颗粒阻塞，过滤介质较好地保持了过滤非常小的颗粒的能力。此外，不像某些其上设置有过滤介质并且必须定期更换的传统过滤器，由于第一级分离器202去除了吹漏气内大部分的污染物，使得过滤介质分离器218内的过滤介质220的使用寿命延长。典型地，过滤介质将被烟尘和颗粒阻塞，这取决于过滤介质的尺寸、密度以及吹漏气的烟尘浓度。典型地，在深度过滤具有500&2000小时之间的工作间隔的情况下，图9中的分离器内的过滤介质220可具有2000至12000小时之间的延长了的使用寿命，并且甚至可以服务于发动机的整个使用寿命。

吹漏气经过图9中的分离器的流通路径与图8中的分离器的流动路径大致相同，区别在于，在离开第一级分离器202之后，部分净化后的吹漏气直接沿着箭头246的路径到达过滤介质220的内部。吹漏气经过过滤介质220，然后像之前一样直接到达喷射泵204。由于第一级分离器202的高分离效率(高达95%)，因此对于1%烟尘污染率的吹漏气，过滤介质220可具有大于12000小时的使用寿命。在又一可替代的实施例中，图8和图9中的气旋预分离器也都可省略。

现将结合图10至16，对多级分离器如何提高计重分离效率给出更详细的数学公式。本发明的发明人研发了用于确定多级分离器的每一级所需最小分级分离效率曲线的技术，使得计重分离效率等于或者大于相当的单级设备的计重效率。使用计算后的目标分级分离效率曲线，各级的分级分离效率曲线可由来自泵的、横跨各级分离器的有效压差来控制，从而微调整体计重效率。这种认知可用于确定分离器级数的最优数目，以最大化任何有效真空的效率，或者确定所需真空(并因此确定所需的泵)，以及满足给定效率目标的级的数目。这样，可最小化满足分离目标所需的泵能量。

从发动机中省去的用于净化吹漏气的设备的性能，可通过将一定时间段内分离器前、后所包含的污染物收集在滤纸上并且对它们进行称重来估算，以此来计算计重分离效率。

多级分离器的计重分离效率可以很容易地计算。例如，穿过50%分离效率的分离器(对于任何类型的惯性分离器)的第二级将去除来自第一级的所承载的超过50%的污染物质量。因此两级系统的整体分离效率为75%。第三级将实现88%的整体分离效率，而第四级则为94%，以此类推。通过单级分离器的任何给定的分离效率(x，位于0%到100%之间)，可得到多级分离器的整体分离效率(μ_n，其中n为多级分离器中相似分离器的级数)的数学公式：

${\mathrm{\μ}}_2=[1-[(1-\frac{x}{100})\·(1-\frac{x}{100})\left]\right]\·100$

${\mathrm{\μ}}_3=[1-[(1-\frac{x}{100})\·(1-\frac{x}{100})\·(1-\frac{x}{100})\left]\right]\·100$

${\mathrm{\μ}}_4=[1-[(1-\frac{x}{100})\·(1-\frac{x}{100})\·(1-\frac{x}{100})\·(1-\frac{x}{100})\left]\right]\·100$

这些公式可以简化成：

${\mathrm{\μ}}_2=-\frac{x\·(x-200)}{100}$

${\mathrm{\μ}}_3=\frac{x\·(x^2-300\·x+30000)}{1000}$

${\mathrm{\μ}}_4=\frac{x^3}{2500}-\frac{x^4}{1000000}-\frac{3\·x^2}{2a}+4\·x$

图10中示出了上面第二、第三和第四级分离器的分离效率计算公式的图表，其可用于确定对于任何给定效率x的第二、第三或第四级分离器的系统效率。可见，不管分离器的级数如何，随着各级中的每一级的效率x接近100%，整体效率μ接近100%。

本领域技术人员应该理解的是，具有可接受压差，例如40mbar的惯性分离器，可实现大约75%的计重分离效率。还可理解的是，具有20mbar的较低压差的惯性分离器，将典型地实现较低的约为44%的计重分离效率。两个这样的分离器依次连接，将具备40mbar的联合压差，然而根据上面的图表，可确定的是，所组合的该多级分离器将仅实现整体为69%的较小的计重分离效率。可容易地推导出，将横跨额外的分离器的有效压差进一步划分会导致更坏的结果。

如上所述以及公开在帕克汉尼汾(UK)公司(Parker Hannifin(UK)Ltd)申请的专利WO-2009/037496-A2中描述的，本发明的发明人先前开发出了一种以增加的效率水平分离污染物的设备，其利用泵人工地增加有效压差，从而提高性能。通过应用现在将要描述的多级分离器，本发明的发明人现在开发出了一种对于来自发动机的吹漏气提出的给定浮质挑战，更有效地使用泵能量的方法。

发动机吹漏气的组分包括液态油和油浮质，尺寸在0.035微米到10微米之间的范围内。使用现有设备，可测量由单个发动机产生的特征质量分数。图11中示出了2010柴油机的例子，其中吹漏气的百分比组成按颗粒尺寸以μm计绘制。图11示出了大约0.2μm至1.5μm之间以及大于5μm的污染物的主要浓度。

相似地，使用相同的现有设备，上面结合图5至7大体描述的可变撞击分离器类型的分离效率可按相同的颗粒尺寸范围来进行绘制。这种可变撞击分离器的分级分离效率被定性在泵式压差的范围内，并且该数据示出在图12中。可见，增加的压差升高了分级分离效率曲线。

为了最大化计重分离效率且同时最小化泵能量，需要调整多级分离器，以获得特定颗粒尺寸的可能的最高分离效率，该效率与给定发动机生成的主要油重量分数相对应。可将横跨各级分离器的压差选择成，调整各级分离器，从而对来自由图11示出的浮质挑战的选定部分的颗粒进行分离。为了最大化整体计重分离效率，不管是否由泵提供能量，简单地将多个分离器依次连接是不够的。

为了使多级系统产生与由单个分离器测定的性能相同，可以确定限定各级分离器所需的最小分级效率曲线的数学公式。这通过第二、第三和第四级系统重新基于x设置之前的等式而得到。应注意的是，第二、第三和第四级等式为二阶、三阶和四阶多项式，并因此具有多个解：

对于二级分离器：

$\left(\begin{array}{c}50\·\sqrt{4-\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{25}}+100\\ 100-50\·\sqrt{4-\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{25}}\end{array}\right)$

对于三级分离器：

$\left[\begin{array}{c}{(10000{\mathrm{\μ}}_3-1000000)}^{\frac{1}{3}}+100\\ \frac{\sqrt{3}{(10000{\mathrm{\μ}}_3-1000000)}^{\frac{1}{3}}\·i}{2}-\frac{{(10000{\mathrm{\μ}}_3-1000000)}^{\frac{1}{3}}}{2}+100\\ 100-\frac{{(10000{\mathrm{\μ}}_3-1000000)}^{\frac{1}{3}}}{2}-\frac{\sqrt{3}{(10000{\mathrm{\μ}}_3-1000000)}^{\frac{1}{3}}\·i}{2}\end{array}\right]$

对于四级分离器：

$\left[\begin{array}{c}500\·\sqrt{2}\·{(\frac{1}{2500}-\frac{{\mathrm{\μ}}_4}{250000})}^{\frac{1}{4}}+100\\ 100-500\·\sqrt{2}\·{(\frac{1}{2500}-\frac{{\mathrm{\μ}}_4}{250000})}^{\frac{1}{4}}\\ 500\·\sqrt{2}\·\sqrt{-\sqrt{\frac{1}{2500}-\frac{1}{250000}{\mathrm{\μ}}_4}}+100\\ 100-500\·\sqrt{2}\sqrt{-\sqrt{\frac{1}{2500}-\frac{1}{250000}{\mathrm{\μ}}_4}}\end{array}\right]$

μ₂、μ₃和μ₄在0至100%之间变化。将这些等式进一步简化得到：

$f\left({\mathrm{\μ}}_2\right):=100-50\·\sqrt{4-\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{25}}$

$\underset{~}{f}\left({\mathrm{\μ}}_3\right):={(10000\·{\mathrm{\μ}}_3-1000000)}^{\frac{1}{3}}$

$\underset{~}{f}\left({\mathrm{\μ}}_4\right):=100-500\·\sqrt{2}\·{(\frac{1}{2500}-\frac{{\mathrm{\μ}}_4}{250000})}^{\frac{1}{4}}$

由此，为了设计一种多级分离器系统，使得其能够产生比已知的具有相同总压差的单个分离器更高的计重分离效率，可以对图11所示的浮质挑战，计算感兴趣的范围内的每个颗粒尺寸所需的最小分级分离效率。图13示出了具有120mBar的压差的单个可变撞击分离器的分级分离效率，两个60mBar可变撞击分离器中的每个所需的目标分级分离效率，以及示例性的60mBar可变撞击分离器的可测分级分离效率。可见，示例性的60mBar分离器的性能超过了多级系统的每一级的所需性能。在导出的目标曲线上方的任何设备都将实现计重分离效率的整体提高，而任何在其下方的设备则无法实现。由此，图13示出了根据本发明的发明人所开发的数学模型，依次连接的两个60mbar可变撞击分离器可实现比单个120mbar分离器更高的效率。该结果在图14中得以确定，图14示出了所测得的单个60mBar可变撞击分离器、单个120mBar可变撞击分离器以及依次连接的两个60mBar可变撞击分离器的分级分离效率。在感兴趣的颗粒尺寸范围内，依次连接的两个60mBar分离器的性能超过了单个120mBar分离器的性能。

使用上述技术，本领域技术人员可以理解，在受到典型的发动机吹漏气浮质分布挑战时，图8中示出的多级可变撞击分离器类型是如何被特定地设计为实现之前未能获得的计重分离效率的。图15示出了单个50mBar分离器、单个100mBar分离器以及依次连接的两个50mBar分离器的分级分离效率。可见，依次连接的两个50mBar分离器的性能并非始终高于单个100mBar分离器的性能，而是高于图11中示出的特定感兴趣区域内颗粒，在该区域内颗粒尺寸大于0.2μm。本例示出了：如果发动机挑战质量分数的较大部分大于0.2微米，那么这样的多级分离器是如何实现整体系统的提高的，而当挑战质量分数低于0.2微米时将损失性能。这示出了当设计多级分离器时，考虑需解决的颗粒浮质挑战的重要性。简单地将以前可用的分离器依次连接并不能够确保性能的提高，除非泵能量也有显著的增加。如果对于多级分离器的分离背后的处理以及其如何能够被调整为待分离的特定流体没有充分的理解，则本领域技术人员完全无法获得启示以通过额外的分离级以及这样操作来改进现有分离器的能力，因而也不能得到任何明显的提高。

类似地，可对图9中示出的有源多级分离器类型的性能进行建模，该多级分离器包括可变撞击分离器以及穿过过滤介质的通道。图16示出了无源可变撞击分离器、泵辅助可变撞击分离器、低密度过滤介质以及依次连接的泵辅助可变撞击分离器和低密度过滤介质的组合的分级分离效率。流体分离领域的技术人员可以理解，对于大约0.35μm的过滤介质，由于过滤介质内的固有撞击、拦截以及扩散分离机制的物理特性，其分级分离效率在中期范围内下降。然而，图16示出了这样的过滤介质的已知特性，以实现低于0.1μm的颗粒尺寸的高分离效率。

从图16可以理解的是，无源撞击分离器和过滤介质的组合在超出过滤介质的使用寿命之后几乎无法获得任何改善。然而，基于如何通过特定浮质挑战对多级分离器的每一级的分级分离效率进行调整来提高计重分离效率的理解，本发明的发明人发现：包括过滤介质和有源撞击分离器的组合系统，可以提供明显提高的计重分离效率。该组合系统通过调整可变撞击分离器的分级效率而从各级的分离力度受益，以实现吹漏气的分离效率水平在约为99%的计重结果。在本领域中，这在之前是完全不能实现的。

典型地，分离器可由聚合材料制成，例如玻璃纤维尼龙。对本领域普通技术人员来说，其他制造方法和材料也是显而易见的。例如，泵喷嘴可采用烧结或金属注射成型部件。可使用适当的固定技术将分离器的各个部件连接在一起，这些技术对于本领域技术人员是熟知的，诸如夹子、螺栓、粘合或焊接。可提供诸如O型环的密封件以防止从分离器泄露。分离器的各部件可设置在模块化系统中，在该系统中，为了实现最小的修正，可以结合其他的分离器或用其他的分离器替代。

尽管图8和9中示出的本发明的实施例使用了喷射泵以提高横跨多级分离器的压差，但是本发明并不仅限于此。可使用任何已知形式的用于形成真空以通过分离器吸入吹漏气的泵，以允许依次连接所用的多级分离器从而提供更高的总体计重和分级分离效率。例如，在本发明的某些实施例中，可使用电动泵或液压泵。

虽然图8和9中示出的本发明的实施例提出了将油从分离器中排出并且使其回流至曲轴箱的方式，但是油和污染物也可存储在曲轴箱之外或被处理掉。类似地，过滤后的吹漏气并不必移动至发动机进气口，例如其可被排出到大气中以避免任何残余污染物损坏发送机，或可被排气系统处理。在进一步的改进中，增压气体可从任何加压气体源得到，例如废气、来自涡轮增压机或发动机进气歧管的加压气体、来自汽车制动系统或其他来源的加压气体。其他可能的构造对本领域普通技术人员来说是显而易见的。

尽管上述特定分离器主要涉及所描述的分离器在从往复式发动机内的吹漏气中分离颗粒和液态浮质污染物的应用，但本发明的应用不限于此。事实上，该分离器可用于将污染物从来自于内燃发动机的其他形式的气体中分离出。更普遍地，本发明可用于从任何气流中分离出污染物，诸如压缩气体管路，从来自机床的气流中分离切削液，以及从工业气体压缩机中分离油雾。更加普遍地，可使用本发明从任何液流中分离污染物。也即，其还可应用于液流。该分离器更可用于从内燃发动机内的油或燃料中分离污染物。

该分离器可包括独立设备。或者，分离器还能够轻易地集成到其他发动机组件，例如发动机阀盖、正时齿轮盖、曲轴箱、汽缸盖、发动机缸体或涡轮增压器。该分离器还可直接安装在发动机上，或者不安装在发动机上。

本发明的其他改进和应用对本领域普通技术人员而言是显而易见的，且未超出所附的权利要求书的范围。

Claims (16)

1.一种分离器，用于从流体中分离出污染物，所述分离器包括：

第一入口，用于接收夹带有污染物的第一流体；

依次连接在一起的第一级分离器和第二级分离器，所述第一级分离器和第二级分离器连接至所述第一入口，以从所述第一入口接收所述第一流体，每一级分离器用于从所述第一流体中分离出污染物；以及

泵，连接至所述第二级分离器，所述泵用于形成降压区域，以通过所述第一级分离器和第二级分离器吸入所述第一流体；

其特征在于，各级分离器中的其中一级分离器包括一可变撞击分离器，所述可变撞击分离器包括：

第一腔体，用于接收所述第一流体；

第二腔体，通过至少一个通孔与所述第一腔体连通，且用于使得所述第一流体通过所述通孔被加速并且入射到一撞击表面上，从而使得污染物从所述第一流体中被分离；以及

致动器，用于根据所述第一腔体内的流体压力和第三腔体内的参考流体压力之间的压差来调整所述至少一个通孔的开口区域；以及

各级分离器中的另一级分离器包括另一个可变撞击分离器和过滤介质中的一个。

2.根据权利要求1所述的分离器，其特征在于，对于其中一个可变撞击分离器或两个可变撞击分离器中的至少一个，所述撞击表面位于所述第二腔体内并且用以使所述第一流体进入所述第二腔体之后流体发生偏转，从而将污染物从所述第一流体中分离出来。

3.根据权利要求1或2所述的分离器，其特征在于，对于其中一个可变撞击分离器或两个可变撞击分离器中的至少一个，选定所述通孔的形状，以使得所述通孔的开口面积的变化率对所述第一腔体和所述第三腔体之间的压差的变化具有非线性响应。

4.根据权利要求1或2所述的分离器，其特征在于，对于其中一个可变撞击分离器或可变撞击分离器中的至少一个，所述致动器包括将所述第一腔体与所述第三腔体分隔开的隔膜。

5.根据权利要求4所述的分离器，其特征在于，对于其中一个可变撞击分离器或可变撞击分离器中的至少一个，所述第一腔体由一内管所限定，所述内管用于在所述内管的第一端处接收所述第一流体，并且第二腔体由围绕所述第一腔体的外管所限定，所述内管的第二端由所述隔膜封闭。

6.根据权利要求5所述的分离器，其特征在于，对于其中一个可变撞击分离器或可变撞击分离器中的至少一个，所述隔膜用于响应于所述第一腔体和所述参考压力之间的压差的变化而沿着所述内管的轴向移动。

7.根据权利要求5或6所述的分离器，其特征在于，对于其中一个可变撞击分离器或可变撞击分离器中的至少一个，所述通孔包括穿过所述内管的壁的通槽，并且所述隔膜还包括挠性部分，所述挠性部分用于随着隔膜的运动而渐进地覆盖或不覆盖所述通槽以改变所述通孔的开口面积。

8.根据权利要求1或2所述的分离器，其特征在于，所述分离器还包括用于允许液体污染物从所述分离器中排出的排出管。

9.根据权利要求1或2要求所述的分离器，其特征在于，所述第一级分离器包括一可变撞击分离器，并且所述第二级分离器包括连接在所述第一级分离器和所述泵之间的过滤介质，所述过滤介质包括穿过所述过滤介质的通道，用于捕获所述第一流体中夹带的污染物的一部分。

10.根据权利要求1或2要求所述的分离器，其特征在于，所述泵包括第四腔体，所述第四腔体具有用于将第二流体接收至所述第四腔体的第二入口以及用于接收所述第一流体的第三入口，所述第二入口包括用于加速所述第二流体的收敛喷嘴，所述第三入口相对于所述第二入口而设置，以使得所述第二流体可以夹带并且加速所述第一流体。

11.根据权利要求1或2所述的分离器，其特征在于，所述泵为电动泵或液压泵。

12.根据权利要求1或2所述的分离器，其特征在于，所述分离器还包括连接在所述第一入口和所述第一级分离器之间的气旋预分离器，所述气旋预分离器用于使从所述第一入口所接收到的第一流体通过螺旋进程被加速以从所述第一流体中分离出污染物。

13.根据权利要求12所述的分离器，其特征在于，所述第一级分离器包括一可变撞击分离器以及限定了所述可变撞击分离器的第一腔体的内管，所述内管向下延伸进入所述气旋预分离器以形成所述气旋预分离器的涡流探测器。

14.一种曲轴箱通风系统，包括：

吹漏气进气管，用于从曲轴箱接收吹漏气；以及

根据前述任一项权利要求所述的分离器，其中所述第一入口连接至所述吹漏气进气管。

15.根据权利要求14所述的曲轴箱通风系统，其特征在于，所述泵用于连接至发动机进气系统、汽车排气系统或将气体排放至外部环境。

16.一种内燃发动机，包括根据引用权利要求10时的权利要求14或15所述的曲轴箱通风系统，其中所述第二入口用于接收来自于涡轮增压器的压缩气流，并且所述分离器运转从而从所述吹漏气中分离曲轴箱油。