CN107076065B - 惯性分离预净化器 - Google Patents

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Abstract

一种惯性分离器(172)包括连接至y型接合部(179)的入口部分，y型接合部(179)具有从该入口部分流体延伸的第一导管(180)以及从该入口部分流体延伸的第二导管(182)。分离器壁(184)在第一导管与第二导管之间并沿第一导管及第二导管的至少一部分设置。分离器壁(184)在到第一导管(180)的入口与到第二导管(182)的入口之间具有延伸至y型接合部(179)中的尖端(185)。在分离器壁(184)的主纵向尺寸与入口部分中心线之间形成有锐角(α)，并且在从入口开口(170)朝第一及第二出口的气流方向上在y型接合部(179)的上游邻近大致笔直的入口部分的第二端部形成有斜坡(186)。在操作期间，进入入口部分的碎片从气流分离出并通过第二导管(182)排出，而空气通过第一导管(180)排出。

Description

惯性分离预净化器
技术领域
本专利发明总体上涉及材料分离器，且更具体地涉及用于在发动机上使用的空气净化器。
背景技术
内燃机被供应有用于在发动机内燃烧的空气及燃料的混合物，其产生机械功率。为了使由该燃烧过程产生的功率最大化，发动机常常配备有涡轮增压进气系统。
为了防止从环境中摄取的碎片(诸如灰尘及其他碎片)对内部发动机部件造成可能的污染及损害，发动机通常使用过滤器来将灰尘及其他碎片与进入的发动机空气分离。对于大排量发动机以及对于在恶劣环境中操作的车辆上的发动机应用，还可在空气过滤器的上游使用预分离器来将较大的碎片颗粒从空气中移除，以便延长过滤器的使用期限并增加其中安装该发动机的机器的维修间隔时间。
以前提出的预分离器典型地为离心式。在这种装置中，进入的空气穿过大致圆柱形壳体内的螺旋特征或管，使得随进入的空气悬浮或载送至壳体中的颗粒经受离心力并因此被迫与空气分离。如此分离的颗粒通常被收集在壳体的底部处并被移除。尽管离心式预分离器在从进入的空气中移除较大的碎片颗粒中是至少部分地有效的，但是它们并不适合于所有类型的操作环境。例如，在垃圾填埋场、森林以及其中可存在大碎片(诸如存在树叶、小枝、碎纸、织物纤维等)的其他区域中操作的机器可易于使它们的预分离器由于大碎片而被堵塞。预分离器堵塞，即使当并非很严重时，也可增加发动机的进入的空气压降，这可降低泵送效率并增加发动机燃料消耗。另外，严重的堵塞状况可致使发动机不可操作并需要维护。离心式预分离器尤其易于由于大于用于产生离心力的空气旋涡管的直径的碎片而产生堵塞。
发明内容
在一个方面，本发明描述了一种用于与发动机的空气净化器一起使用的惯性分离器。该惯性分离器包括大致笔直的入口部分，该入口部分在一端具有入口开口以及入口部分中心线。Y型接合部流体连接在大致笔直的入口部分的第二端部处，第一导管在Y型接合部处流体连接至大致笔直的入口部分并具有第一出口，并且第二导管在Y型接合部处流体连接至大致笔直的入口部分并具有第二出口。分离器壁在第一导管与第二导管之间并沿第一导管及第二导管的至少一部分设置。分离器壁在到第一导管的入口与到第二导管的入口之间具有延伸至Y型接合部中的尖端。在分离器壁的主纵向尺寸与入口部分中心线之间形成有锐角，并且在从入口开口朝第一及第二出口的气流方向上在Y型接合部的上游邻近大致笔直的入口部分的第二端部形成有斜坡。
在另一方面，本发明描述了一种用于内燃机的空气净化器。该空气净化器包括形成第一腔室及第二腔室的壳体，第一腔室与第二腔室在物理上是分离的。空气过滤器设置在第一腔室内，并且出口管延伸通过壳体且与空气过滤器相关联，使得来自第一腔室的空气通过空气过滤器进入出口管。惯性分离器具有入口、第一出口以及第二出口。该入口被构造成将空气吸入到入口分离器中。第一出口被设置成与第一腔室流体连通，并且第二出口被设置成与第二腔室流体连通。在操作期间，通过入口夹带在气流中的可能会进入空气净化器的碎片可从气流分离，使得碎片中的至少一部分在第二腔室中收集且气流进入第一腔室中。
在又一方面，本发明描述了一种发动机，该发动机具有流体连接至进气收集器的空气入口导管以及流体连接至排气收集器的排气管。该发动机还包括空气净化器，该空气净化器具有形成第一腔室及第二腔室的壳体、设置在第一腔室内的空气过滤器以及出口管，该出口管延伸通过壳体且与空气过滤器相关联，使得来自第一腔室的空气通过空气过滤器进入出口管。出口管流体连接至发动机的入口导管。惯性分离器具有入口、第一出口以及第二出口。该入口被构造成将空气吸入到入口分离器中。第一出口被设置成与第一腔室流体连通，并且第二出口被设置成与第二腔室流体连通。在操作期间，通过入口夹带在气流中的可能会进入空气净化器的碎片可从气流分离并在第二腔室中收集，而气流进入第一腔室中。文氏管装置与排气管相关联并操作以从流体连接至第二腔室的吹扫空气导管吸取空气及/或碎片。
附图说明
图1是根据本发明的内燃机的示例性方框图。
图2是根据本发明的空气净化器的局部视图。
图3是根据本发明的惯性分离预净化器的局部视图。
图4-7是根据本发明的各种空气导管横截面形状的表示。
图8及图9是示出了根据本发明的惯性分离预净化器的操作状况的流曲线图。
图10是示出了根据本发明的惯性分离预净化器的颗粒追踪结果的图。
具体实施方式
本发明涉及空气净化器，且更具体地涉及结合包括内燃机的各种燃烧发动机使用的空气净化器。所述空气净化器使用惯性分离来将碎片从气流中移除，该气流被提供至空气过滤器并最终提供至发动机。通过在空气过滤器上游将材料从气流移除，可延长过滤器的服务有效性并改善其功能，因此减少了发动机的服务时间和成本并提高了发动机的燃料效率。在图1中，示出了作为发动机的示例性实施例的具有高压废气再循环(EGR)系统102的发动机100的简化方框图，但是应理解，也可使用其他发动机类型及构造。发动机100包括容纳多个燃烧汽缸106的汽缸壳体104。在示出的实施例中，六个燃烧汽缸以直列式或“I”型构造方式示出，但是也可使用以不同的构造(诸如“V”型构造)布置的任何其他数量的汽缸。所述多个汽缸106经由排气阀(未示出)流体连接至第一及第二排气导管108及110。第一及第二排气导管108及110中的每一者均连接至相应的排气管112及114，排气管112及114进而连接至涡轮增压器119的涡轮机120。根据需要，在操作期间，平衡阀116流体地互连在两个排气管112与114之间且被布置成将废气从第一排气管112引导至第二排气管114。应注意，平衡阀116是可选的且可被省略。
在示出的实施例中，涡轮机120具有分离的壳体，其包括流体连接至第一排气管112的第一入口122以及连接至第二排气管114的第二入口124。每个入口122及124被设置成在发动机操作期间从第一及第二排气导管108及110中的一者或两者接收废气。在通过出口离开涡轮机120的壳体之前，废气导致连接至轴126的涡轮机叶轮(此处未示出)旋转。在出口处的废气在通过烟囱、尾部或排气管134被排放到环境中之前可选地穿过其他排气部件，诸如可机械地及/或化学地从废气流中移除燃烧副产物的后处理装置130，及/或抑制发动机噪声的消音器132。
废气再循环系统102包括可选的废气再循环冷却器150，该废气再循环冷却器流体连接至第一排气导管108的废气再循环气体供应端口152。来自第一排气导管108的废气流可在经由废气再循环导管156被供应至废气再循环阀154之前穿过废气再循环冷却器150，在其中该废气流被冷却。废气再循环阀154可被电子控制且被构造成计量或控制穿过废气再循环导管156的气体的流速。废气再循环阀154的出口流体连接至进气歧管148，使得来自废气再循环导管156的废气可在发动机100的进气歧管148内与来自增压空气冷却器146的压缩空气相混合。
轴126的旋转会使压缩机136的叶轮(此处未示出)旋转。如图所示，压缩机136为径向压缩机，其被构造成通过压缩机入口140从空气净化器138接收新鲜的过滤后的空气流。压缩机136的出口142处的加压空气在被提供至发动机100的进气歧管148之前经由增压空气导管144被引导至增压空气冷却器146。在示出的实施例中，来自进气歧管148的空气被引导至单个汽缸106，在其中空气与燃料相混合并燃烧以产生发动机功率。
在示出的实施例中，发动机100包括空气净化器138，该空气净化器被设置成接收新鲜空气、过滤或以其他方式移除碎片(诸如可随新鲜空气载送的灰尘及其他材料)并提供过滤后的空气至压缩机136。示出的实施例中的空气净化器包括壳体160，其形成至少两个腔室，第一腔室162及第二腔室164，如也在图2中的空气净化器138的局部视图中示出。参考图1及图2，空气净化器138包括过滤器元件166，该过滤器元件设置在第一腔室162内且被构造成过滤进入并穿过第一腔室162并进入出口管168中的空气。空气经由入口开口170进入壳体160中或通过发动机经由入口开口170进入壳体160中，该入口开口形成于惯性分离器172中。
惯性分离器172形成空气入口开口170以及两个出口，第一或主要出口174以及第二或次要出口176。如在图2中所示，惯性分离器172的大部分设置在壳体160内且分别横跨第一及第二腔室162及164二者。主要出口174对第一腔室162开放，且次要出口176对第二腔室164开放。在图2中由实线箭头表示的进入气流经由入口开口170进入惯性分离器并穿过大致笔直的入口段178。示出的实施例中的入口段178被显示为大致直的管段。进入的气流还可包括夹带在其中的碎片，其在图2中示出的实施例中由虚线箭头表示。入口段178在Y型接合部179处终止，流体导管从Y型接合部179将入口段178连接至主要及次要出口174及176。主要导管180将入口段178与主要出口174相连接，且次要导管182将入口段178与次要出口176相连接。
分离器壁184邻近Y型接合部179并在Y型接合部179的下游设置，并在主要及次要出口174及176的上游在主要与次要导管180与182之间形成公共壁。分离器壁的尖端185在流体导管内延伸。尖端185具有朝向第二导管182的轻微弯曲，已经发现这样能够减少尖端185的下游侧上的涡流旋涡。已经确定这种旋涡会形成流动循环，其可将本来已经通过次要出口176分离的颗粒载送回至通过主要出口174离开的主流中，因此降低了装置的分离效率。紧挨着尖端185的弯曲部187中的轻微直径增加还用以降低流动速率并增加压降以捕获次要导管182内的颗粒。然而，任何这种压降增加并不影响主要导管180中的整体压降，且有助于移除经由吹扫气流被拉动通过装置的颗粒，该吹扫气流穿过连接至第二腔室164的导管190，如将在以下部分中描述。
在操作期间，进入气流以及通过入口开口170进入的碎片沿入口段178行进。因为入口段在足够的长度上为大致直的(例如，至少为等于约入口段178管的直径的三倍的长度)，所以穿过其中的气流变直以至少沿管横截面的围绕入口段178的中心线的一部分呈现层状流轮廓。在示出的实施例中，入口段178至少等于或长于三倍直径。
在入口段178的端部处，斜坡186减小管的流动横截面以使气流加速，该斜坡被实施为入口段178的减小管直径段，该段在其一个直径侧上但不在相对的直径侧上延伸至管内部中。如在图2以及还在图3中更具体地示出，斜坡186沿锐角α设置在转弯部188的内侧上，该锐角形成于入口段178中心线C与分离器壁184的主纵向尺寸W之间。
当入口段178的端部处的斜坡186使空气以及夹带的碎片加速时，增大的速率会将增大的动量带给空气且尤其是碎片，碎片与周围空气相比具有较高的质量及密度。随着空气及碎片遇到转弯部188，碎片的增大的动量及惯性会使大部分碎片进入次要导管182中，而大部分空气被迫通过主要导管180，这是由于每个导管呈现的相对横截面流动区域所致。在图2中由虚线表示的碎片离开分离器172，在壳体160的第二腔室164中收集，并被以其他方式阻止到达过滤器166，例如通过将过滤器166放置在第一腔室162中。
为有助于将碎片转移至第二腔室164(其可与壳体160分开形成及/或从壳体160移开)中，可经由抽吸将负压施加至第二腔室164，该抽吸还可用于将碎片从第二腔室移除以避免累积。在示出的实施例中并且参考图1，通过流体连接至第二腔室164的吹扫空气或抽吸管线190来实现从第二腔室164的抽吸。为在管线190处形成抽吸，文氏管装置192沿发动机的排气管134设置，使得通过排气管及文氏管192的移动的废气可形成负压。另外，从空气净化器138的第二腔室164拉来的任何碎片均可被传送到排气管134中并通过排气管134处理。未通过次级出口176从进入的气流中移除并穿过主要出口174进入第一腔室162中的任何碎片均由过滤器166从被提供至发动机的气流中移除。通过在碎片到达过滤器之前移除一部分碎片，可增加过滤器166的使用期限并且另外，可在过滤器的期限内减小通过该过滤器的空气的压降，这有利地提高了泵送效率以及因此提高了发动机的燃料经济性。
现在参考图3-7，显示了惯性分离器172的示例性实施例。然而，应理解，惯性分离器的具体实施方式将取决于各种因素，其包括发动机的预期气流、可能遇到的碎片的类型、通过分离器的所接受的压降、发动机过滤器的尺寸、就存在冰、野生生物以及可倾向于累积而阻塞空气通道的其他因素而言发动机的操作环境等。
惯性分离器172的局部视图表示沿分离器172的长度的八个横截面，在下文对每个横截面进行论述以界定分离器172的结构。因此，在下面的论述中，将参考具有第一中心点202的第一横截面201、具有第二中心点204的第二横截面203、具有第三中心点206的第三横截面205、具有第四中心点208的第四横截面207、具有第五中心点210的第五横截面209、具有第六中心点212的第六横截面211、具有第七中心点214的第七横截面213以及具有第八中心点216的第八横截面215。将第一中心点202设置为沿正交三维X、Y及Z的原点，剩余中心点的坐标显示在下面表1中：
表1
参考上述各种横截面，第一、第二、第三、第四及第五横截面201、203、205、207及209中的每一者均具有圆形形状，如图4所示。除了第五横截面的直径为约30mm，这些横截面中的每一者的直径为约45mm。第六及第七横截面211及213中的每一者均具有椭圆形横截面。图5中显示了第六横截面211，其具有110mm的大直径D以及58mm的小直径d。图6中显示了横跨主要及次要导管180及182二者的第七横截面213，其具有160mm的大直径D以及60mm的小直径d。第八横截面215具有非圆形形状，其由被截椭圆形成。图7中显示了第八横截面215的形状。第八横截面215具有约52.4mm的宽度w以及约50mm的高度h。角α(图3)在示出的实施例中为约109.8度，但可在100与120度之间变化。
工业实用性
本发明可应用于空气净化器以及更具体地用于从气流(诸如发动机进风口)移除碎片的惯性分离器。图8及图9中显示了被执行以确定上述分离器的有效性的计算分析的结果。在图8及图9所示的曲线图中，在操作期间显示了类似于上述惯性分离器的几何结构。使用不同颜色的走线来标出被引入穿过分离器流体导管的气流中的不同尺寸的颗粒的迹线。如图所示，颗粒尺寸的范围在图8中位于1.8e-04与5.00e-05m之间，并且在图9中位于5.00e-05与1.00e-06m之间。用于执行模拟的边界条件显示在下面表2中。
表2
除了表2中所示的输入或值，模拟被构造成在较低流速下遵循幂定律。用于构造流体模型的各种其他假设包括假设气流在所考虑的速度(其为约0.2马赫)下不可压缩、忽略热传输、将90％的流设定成通过装置的主要出口排出、假定剩余10％的流通过装置的次要出口排出、灰尘注入速度将为约75m/s(其与穿过装置入口的空气速度相匹配)以及颗粒在撞击装置的壁之后将被反射。
如可从表示模拟结果的图8及图9中的曲线图看出，模型推算出小于1.00e-5m的颗粒的分离效率小于19.92％(1.00e-6m)至30.08％(1.00e-5m)。大于1.00e-5m的颗粒的分离效率在30.08％(1.00e-5m)至约91.95％(2.10e-5m)的范围内。较大的颗粒(即尺寸为2.10e-5m至1.80e-04m的颗粒)被推算出具有最高的分离效率，其在91.95％(2.10e-5m)至100％(1.80e-4m)的范围内。这些结果被绘制在图10所示的图中，其中颗粒直径相对于水平轴绘制并且颗粒频率或浓度相对于垂直轴绘制。如可从该图看出，表示被俘获的颗粒(即从装置的次要出口提供的颗粒)的第一数据集301随着颗粒的尺寸增大而减少。穿过主要出口的颗粒(由第二数据集302表示)在某一颗粒尺寸之后减少至零。注入颗粒尺寸的分布由第三数据集303表示。针对每一颗粒尺寸(其由第四数据集304表示)的所计算的效率显示出在相对狭窄的颗粒尺寸范围内大幅提高，该结果是理想的但很意外。还意外地观察到相对低的约1.9kPa的最大压降。
还基于质量来分析模拟的结果。对于上述惯性分离器设计，对于被提供至装置的1.19e-07克的总质量，从气流中分离出9.66e-08克，这表示约81.34％的效率。在用于模拟的颗粒尺寸分布中，质量集中在8.57e-6m至1.26e-4m的范围(其非常接近于高效率直径范围)内的颗粒尺寸处。因此，对于被检测的设计，直径2.10e-5m以上的颗粒中的<90％将从主要气流中分离出并被俘获在过滤器的次要或分离腔室中。
将理解，以上描述提供了所公开的系统及技术的示例。然而，设想本发明的其他实施方式可在细节上不同于以上示例，诸如，例如可基于特定应用的操作参数而调整的惯性分离器的特定几何结构。对本发明或其示例的所有参考旨在提及关于那一点所论述的特定示例，而并非旨在更广泛地暗示对本发明范围的任何限制。关于某些特征的差别及贬低的所有语言旨在指示缺乏对这些特征的偏好，但并不是将这些完全排除在本发明的范围之外，除非另有指示。
除非在此另外指明，这里值的范围的列举仅旨在用作个别地参考落在该范围内的每个单独的值的简记方法，并且每个单独的值被并入到本说明书中，如同在此对其进行了单独的列举。除非在此另外指明或者明显与上下文发生矛盾，可按任何适合的顺序执行这里描述的所有方法。

Claims (10)

1.一种用于内燃机(100)的空气净化器(138)，所述空气净化器(138)包括与该空气净化器一起使用的的惯性分离器(172)，所述空气净化器(138)还包括：
壳体(160)，其形成第一腔室(162)及第二腔室(164)，所述第一及第二腔室(162、164)在物理上分离；
空气过滤器(166)，其设置在所述第一腔室(162)内；以及
出口管(168)，其延伸穿过所述壳体(160)并与所述空气过滤器(166)相关联，使得来自所述第一腔室(162)的空气通过所述空气过滤器(166)进入所述出口管(168)；
其中所述惯性分离器(172)被构造成从入口开口(170)吸入空气，第一出口(174)被设置成与所述壳体(160)的所述第一腔室(162)流体连通，并且第二出口(176)被设置成与所述壳体(160)的所述第二腔室(164)流体连通，并且
其中在操作期间，通过所述入口开口(170)夹带在气流中的能够进入所述空气净化器(138)的碎片能够从所述气流分离并收集在所述第二腔室(164)中，所述气流进入所述第一腔室(162)中，
其特征在于，所述惯性分离器(172)包括：
大致笔直的入口部分，其在一端具有入口开口(170)以及入口部分中心线；
y型接合部(179)，其流体连接在所述大致笔直的入口部分的第二端部处；
第一导管(180)，其在所述y型接合部(179)处流体连接至所述大致笔直的入口部分并具有第一出口(174)；
第二导管(182)，其在所述y型接合部(179)处流体连接至所述大致笔直的入口部分并具有第二出口(176)；
分离器壁(184)，其在所述第一导管与所述第二导管之间并沿所述第一导管及所述第二导管的至少一部分设置，所述分离器壁(184)在到所述第一导管(180)的入口与到所述第二导管(182)的入口之间具有延伸至所述y型接合部(179)中的尖端(185)；
其中在所述分离器壁(184)的主纵向尺寸与所述入口部分中心线之间形成有钝角(α)；并且
其中在从所述入口开口(170)朝所述第一出口及第二出口(174、176)的气流方向上在所述y型接合部(179)的上游邻近所述大致笔直的入口部分的所述第二端部形成有斜坡(186)。
2.如权利要求1所述的空气净化器(138)，其中吹扫空气导管(190)流体连接至所述第二腔室(164)并被构造成在所述空气净化器(138)的操作期间从所述第二腔室(164)内吸取空气及/或碎片。
3.如权利要求1所述的空气净化器(138)，其中所述钝角(α)在100与120度之间。
4.如权利要求1所述的空气净化器(138)，其中所述斜坡(186)被形成为所述大致笔直的入口部分的减小直径部分，所述减小直径部分在其一个直径侧而不是在相对的直径侧上延伸入所述大致笔直的入口部分内部。
5.如权利要求1所述的空气净化器(138)，其中所述尖端(185)朝所述第二导管(182)并远离所述第一导管(180)弯曲，使得在操作期间能减少所述尖端(185)的下游侧上的涡流旋涡。
6.如权利要求1所述的空气净化器(138)，其中所述惯性分离器(172)还包括增大直径段，其邻近所述y型接合部(179)及所述尖端(185)位于所述第二导管(182)中。
7.如权利要求1所述的空气净化器(138)，其中所述大致笔直的入口部分被形成为具有直径及长度的圆形横截面管，并且其中所述长度至少为所述直径的三倍。
8.如权利要求1所述的空气净化器(138)，其中所述大致笔直的入口部分、所述第一导管(180)、所述第二导管(182)以及所述y型接合部(179)是共面的。
9.一种发动机(100)，其包括流体连接至进气收集器的空气入口开口(170)导管以及流体连接至排气收集器的排气管(112)，所述发动机(100)还包括如权利要求1所述的空气净化器(138)。
10.如权利要求9所述的发动机(100)，其中所述发动机(100)还包括文氏管装置(192)，其与所述排气管(112)相关联并操作以从流体连接至所述空气净化器(138)的第二腔室(164)的吹扫空气导管(190)吸取空气。
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