-
HINTERGRUND UND KURZDARSTELLUNG
-
Die
Erfindung betrifft Gas-Flüssigkeits-Trägheitsabscheider
zur Entfernung von flüssigen Partikeln aus einem Gas-Flüssigkeitsstrom,
einschließlich Motorkurbelgehäuseentlüftungsabscheidungsanwendungen,
darunter geschlossene Kurbelgehäuseentlüftungssysteme
(CCV-Systeme, CCV – closed crankcase ventilation) und offene
Kurbelgehäuseentlüftungssysteme (OCV-Systeme,
OCV – open crankcase ventilation).
-
Gas-Flüssigkeits-Trägheitsabscheider
sind im Stand der Technik bekannt, zum Beispiel aus der
US-PS 6 290 738 , auf die
hiermit Bezug genommen wird. Flüssige Partikel werden von
einem Gas-Flüssigkeitsstrom durch Beschleunigung des Stroms oder
eines Aerosols auf hohe Geschwindigkeiten durch Düsen oder
Löcher und durch Leiten des Stroms auf einen Impaktor entfernt,
der in der Regel eine scharfe Richtungsänderung verursacht,
die die genannte Flüssigkeitsabscheidung bewirkt. Diese Trägheitsimpaktoren
weisen verschiedene Verwendungen auf, darunter Ölabscheidungsanwendungen für
Durchblasegas aus dem Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors.
-
Die
vorliegende Erfindung entstand während fortwährender
Enwicklungsbemühungen in der obigen Technologie und stellt
die Verbesserungen in Düsenventilen bereit, die den Gas-Flüssigkeitsstrom
gegen den Impaktor lenken.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Stand der Technik
-
-
1 ist
eine als Schnitt ausgeführte schematische Seitenansicht
eines Gas-Flüssigkeits-Trägheitsabscheiders in
einer Motorkurbelgehäuseentlüftungsabscheidungsanwendung.
-
2 ist
wie 1 und zeigt eine andere Ausführungsform.
-
3 ist
wie 1 und zeigt eine andere Ausführungsform.
-
4 ist
wie 1 und zeigt eine andere Ausführungsform.
-
5 ist
wie 1 und zeigt eine andere Ausführungsform.
-
6 zeigt
eine weitere Ausführungsform.
-
Vorliegende Anmeldung
-
7 ist
eine perspektivische Ansicht eines Düsenventils zur Verwendung
in dem Gas-Flüssigkeits-Trägheitsimpaktorabscheider
von 6.
-
8 ist
eine Draufsicht der Struktur von 7.
-
9 ist
wie 7 und zeigt einen weiteren funktionalen Zustand
davon.
-
10 ist
eine Draufsicht der Struktur von 9.
-
11 ist
eine perspektivische Ansicht eines weiteren Düsenventils
zur Verwendung in dem Gas-Flüssigkeits-Trägheitsimpaktorabscheider
von 6.
-
12 ist
eine perspektivische Ansicht der Struktur von 11 aus
einem anderen Winkel.
-
13 ist
eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 12.
-
14 ist
wie 11 und zeigt eine andere Ausführungsform.
-
15 ist
eine perspektivische Ansicht der Struktur von 14 aus
einem anderen Winkel.
-
16 ist
eine vergrößerte Ansicht eines Teils von 15.
-
17 ist
eine perspektivische Ansicht eines weiteren Düsenventils
zur Verwendung in dem Gas-Flüssigkeits-Trägheitsimpaktorabscheider
von 6.
-
18 ist
wie 17 und zeigt einen weiteren funktionalen Zustand
davon.
-
19 ist
eine perspektivische Ansicht eines weiteren Düsenventils
zur Verwendung in dem Gas-Flüssigkeits-Trägheitsimpaktorabscheider
von 6.
-
20 ist
eine Schnittansicht der Struktur von 19.
-
21 ist
eine Draufsicht der Struktur von 20.
-
22 ist
eine graphische Darstellung, die den funktionalen Betrieb des Düsenventils
der 19–21 zeigt.
-
23 ist
wie 19 und zeigt eine weitere Ausführungsform.
-
24 ist
eine perspektivische Ansicht einer weiteren Düsenventilstruktur
zur Verwendung in dem Gas-Flüssigkeits-Trägheitsimpaktorabscheider
von 6.
-
25 ist
eine Schnittansicht eines Teils von 24.
-
26 ist
wie 24 und zeigt einen weiteren funktionalen Zustand
davon.
-
27 ist
eine Schnittansicht eines Teils von 26.
-
28 ist
wie 26 und zeigt einen weiteren funktionalen Zustand
davon.
-
29 ist
eine perspektivische Unteransicht der Struktur von 24.
-
30 ist
wie 24, aber teilweise weggeschnitten.
-
31 ist
eine Schnittansicht der Struktur von 24 entlang
dem Schnitt von 30
-
32 ist
wie 28, aber teilweise weggeschnitten.
-
33 ist
eine Schnittansicht der Struktur von 28 entlang
dem Schnitt von 32.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
-
Stand der Technik
-
Die
folgende Beschreibung der
1–
6 stammt
aus der mit einbezogenen
US-PS
6 290 738 .
-
1 zeigt
einen Gas-Flüssigkeits-Trägheitsabscheider 10 zum
Entfernen und Koaleszieren flüssiger Partikel aus einem
Gas-Flüssigkeitsstrom 12 und ist in einer beispielhaften
Abscheidungsanordnung einer Kurbelgehäuseentlüftung
eines Verbrennungsmotors 14 gezeigt. Bei einer solchen
Anwendung ist es wünschenswert, die Verbrennungsdurchblasegase
aus dem Kurbelgehäuse 16 des Motors 14 zu
entlüften. Unbehandelt enthalten diese Gase partikelförmige
Stoffe in Form von Ölnebel und Ruß. Es ist wünschenswert,
die Konzentration dieser Schmutzstoffe zu kontrollieren, besonders
dann, wenn die Durchblasegase in das Lufteinlasssystem des Motors
zurückgeführt werden, z. B. zu dem Einlasskrümmer 18.
Der Durchmesser der Ölnebeltröpfchen ist üblicherweise
kleiner als 5 Mikrometer und infolgedessen sind diese unter Verwendung
von konventionellem fasrigem Filtermaterial schwer zu entfernen,
während gleichzeitig ein niedriger Strömungswiderstand
beibehalten wird, da sich die Medien sammeln und mit Öl
und Schmutzstoffen gesättigt werden.
-
Der
Abscheider 10 enthält ein Gehäuse 20 mit
einem Einlass 22 zum Empfang des Gas-Flüssigkeitsstroms 12 aus
dem Motorkurbelgehäuse 16 und einen Auslass 24 zum
Ableiten eines Gasstroms 26 zu dem Einlasskrümmer 18.
Eine Düsenstruktur 28 in dem Gehäuse
weist mehrere Düsen und Löcher 30 auf,
die den Gas-Flüssigkeitsstrom von dem Einlass 22 empfangen
und den Gas- Flüssigkeitsstrom durch die Düsen 30 beschleunigen.
Ein Trägheitskollektor 32 in dem Gehäuse
ist in dem Weg des beschleunigten Gas-Flüssigkeitsstroms
angeordnet und bewirkt eine scharfe Richtungsänderung desselben,
wie bei 36 gezeigt. Der Kollektor 32 weist eine
raue, poröse Sammel- oder Prallfläche 34 auf,
die eine Abscheidung flüssiger Partikel aus dem Gas-Flüssigkeitsstrom
von kleinerer Flüssigkeitspartikelgröße
bewirkt als eine glatte, nicht poröse Prallfläche
des Impaktors und ohne die scharfe Grenzgröße
der Letzteren. Die Verwendung einer rauen, porösen Sammelfläche
ist gegensätzlich zu gewöhnlichen Gas-Flüssigkeits-Trägheitsabscheidern,
ist aber bei der vorliegenden Erfindung aus den zuvor angegebenen Gründen
Absicht, wie im Folgenden erklärt werden wird.
-
Die
oben beschriebene raue, poröse Sammelfläche verbessert
die Gesamtabscheidungseffizienz einschließlich für
flüssige Partikel, die kleiner sind als die Grenzgröße
einer glatten, nicht porösen Prallfläche des Impaktors.
Die raue, poröse Sammelfläche verursacht sowohl:
a) eine Abscheidung flüssiger Partikel aus dem Gas-Flüssigkeitsstrom,
als auch b) eine Sammlung der flüssigen Partikel an der
Sammelfläche. Die raue, poröse Sammelfläche
weist eine Grenzgröße für die Partikelabscheidung
auf, die nicht so scharf ist wie die einer glatten, nicht porösen
Prallfläche des Impaktors, verbessert aber die Sammeleffizienz
für Partikel, die kleiner sind als diese Grenzgröße,
ebenso wie eine Reduktion der Grenzgröße. Die
raue, poröse Sammelfläche stellt ein Koalesziermedium
bereit, so dass flüssige Partikel, die einmal an der Sammelfläche
gehalten werden, mit anderen flüssigen Partikeln an der
Sammelfläche koaleszieren und so dass der beschleunigte
Gasstrom und die resultierende hohe Geschwindigkeit des Gases an und
in der Sammelfläche Widerstandskräfte erzeugen,
die verursachen, dass die eingefangene Flüssigkeit zu den äußeren
Rändern der Sammelfläche wandert und aus dem Kollektor
austritt. Nach der scharfen Richtungsänderung nimmt der
Auslass 24 die Gasströmung ohne die abgeschiedenen
flüssigen Partikel auf, wie bei 38 gezeigt. Die
Sammelfläche 34 und die Düsen 30 sind
durch einen Spalt 40 getrennt, der ausreichend ist, um
eine übermäßige Drosselung zu vermeiden.
Das Gehäuse 20 weist einen Strömungskanal
auf, der einen ersten Strömungswegabschnitt 42 für
den Gas-Flüssigkeitsstrom zwischen dem Einlass 22 und
dem Spalt 40 und einen zweiten Strömungswegabschnitt 44 für
den Gasstrom zwischen dem Spalt 40 und dem Auslass 24 umfasst. Der
Strömungsweg durch das Gehäuse 20 weist
eine Richtungsänderung in dem Spalt 40 an der
Sammelfläche 34 auf und eine andere Richtungsänderung
in dem zweiten Strömungswegabschnitt, wie bei 46 gezeigt.
-
Ein
Durchgangsfilter 48, 1, in dem
zweiten Strömungswegabschnitt stellt einen Sicherungsfilter
bereit, der flüssige Partikel, die von dem Gasstrom nach
der Abscheidung an dem Trägheitskollektor 32 wieder
mitgerissen wurden, einfängt. Ein Abfluss 50 in
dem Gehäuse leitet das abgeschiedene Fluid von dem Kollektor
ab. In 1 leitet der Abfluss 50 das abgeschiedene
Fluid aus dem Gehäuse 20 heraus, wie bei 52 gezeigt
ist, zurück zu dem Kurbelgehäuse 16.
Der Abfluss 50 befindet sich gravitatorisch unterhalb und
auf der dem Durchgangsfilter 48 gegenüberliegenden
Seite des Kollektors 32. In 1 strömt
die Gasströmung 26 entlang einer vertikalen axialen
Richtung. Der Filter 48 erstreckt sich entlang einer radialen,
horizontalen Links-Rechts-Spanne senkrecht zu der axialen vertikalen
Richtung. Die radiale horizontale Spanne des Durchgangsfilters 48 erstreckt
sich über das gesamte Gehäuse und ist parallel
zu der Sammelfläche 34 ausgerichtet. Die Gasströmung
strömt nach der Abscheidung radial bei 36 und
parallel zu der Sammelfläche 34, dreht dann um
90°, wie bei 46 gezeigt, und strömt durch
den Durchgangsfilter 48 zu dem Auslass 24, wie
bei 38 gezeigt.
-
2 ist ähnlich 1 und
verwendet zum besseren Verständnis die gleichen Bezugszahlen, wo
dies angebracht ist. In 2 leitet ein Abfluss 54 abgeschiedene
Flüssigkeit zurück zu dem Einlass 22.
Ein zweiter Durchgangstilter 56 in dem Gehäuse befindet
sich gravitatorisch unterhalb und auf der dem Durchgangsfilter 48 gegenüberliegenden
Seite des Kollektors 32 und filtert abgeschiedene Flüssigkeit
von dem Kollektor 32. Der Abfluss 54 leitet das gefilterte
Fluid durch den Durchgangsfilter 56 zu dem Einlass 22.
-
Der
Abfluss 54 in 2 ist auch ein Bypassdurchtritt,
durch den der Gas-Flüssigkeitsstrom 12 zu dem
Spalt 40 strömen kann, ohne durch die Düsen 30 beschleunigt
zu werden. Der Gas-Flüssigkeitsstrom vom Einlass 22 hat
folglich einen Hauptströmungsweg durch die Düsen 30 hindurch
und beschleunigt durch den Spalt 40 gegen den Kollektor 32 und
einen alternativen Strömungsweg durch den Filter 56 und
den Bypassdurchtritt 54 zu dem Spalt 40. Der Durchgangsfilter 56 in
dem alternativen Strömungsweg fängt und koalesziert
Flüssigkeit in dem Gas-Flüssigkeitsstrom von dem
Einlass 22, um den durch den alternativen Strömungsweg
hindurch am Auslass 24 bereitgestellten Gasstrom von Flüssigkeit zu
befreien. Der Auslass 24 empfängt also einen Gasstrom
von dem Hauptströmungsweg, bei dem die Flüssigkeit
durch den Kollektor 32 entfernt wurde, und empfängt
ferner einen Gasstrom von dem alternativen Strömungsweg,
bei dem die Flüssigkeit durch den Durchgangsfilter 56 entfernt
wurde. Der Einlass 22 befindet sich gravitatorisch unterhalb
des Durchgangsfilters 56. Die Flüssigkeit, die
durch den Durchgangsfilter 56 von dem Gas-Flüssigkeitsstrom in
dem alternativen Strömungsweg entfernt wurde, fließt
zu dem Einlass 22. Der Durchgangsfilter 56 filtert
auch die Flüssigkeit, die durch den Kollektor 32 von
dem Gas-Flüssigkeitsstrom in dem Hauptströmungsweg
entfernt wurde, und leitet diese Flüssigkeit durch den
Abfluss 54 und Filter 56 zurück zu dem Einlass 22.
-
3 verwendet,
wo angebracht, zum besseren Verständnis die gleichen Bezugszahlen
wie zuvor. In 3 verläuft die axiale
Strömung des Gasstroms horizontal durch das Gehäuse.
Der Abfluss 58 in dem Gehäuse leitet das abgeschiedene
Fluid von dem Kollektor aus dem Gehäuse heraus zurück
zu dem Kurbelgehäuse 16. Der Abfluss 58 ist
in dem zweiten Strömungswegabschnitt 44 angeordnet
und leitet das abgeschiedene Fluid von dem Kollektor 32 durch
den Durchgangsfilter 48, so dass der Letztere beides, den
Gasstrom 26 und das abgeschiedene Fluid, filtert. Der Abfluss 58 befindet
sich zwischen dem Durchgangsfilter 48 und dem Auslass 24 und befindet
sich gravitatorisch unterhalb des Kollektors 32 und des
Auslasses 24 und des Durchgangsfilters 48.
-
4 verwendet,
wo angebracht, zum besseren Verständnis die gleichen Bezugszahlen
wie zuvor. 4 zeigt eine vertikale Ausrichtung
des Gasstroms axial durch ein Gehäuse 60 mit einem
Einlass 62 zum Empfang des Gas-Flüssigkeitsstroms 12 und einem
Auslass 64 zum Ableiten des Gasstroms 26. Eine
Düsenstruktur 66 in dem Gehäuse weist
mehrere Düsen oder Löcher 68 auf, die
den Gas-Flüssigkeitsstrom von dem Einlass 62 empfangen
und den Gas-Flüssigkeitsstrom radial horizontal durch die
Düsen 68 und radial durch einen ringförmigen
Spalt 70 beschleunigen, um dann auf einen ringförmigen Trägheitskollektor 72 aufzutreffen.
Der Kollektor 72 befindet sich in dem Weg des beschleunigten Gas-Flüssigkeitsstroms
und verursacht eine scharfe Richtungsänderung derselben
und weist, wie oben, eine raue, poröse Sammelfläche 74 auf.
Das Gehäuse weist einen vertikalen, axialen Strömungsweg
dort hindurch auf, einschließlich eines ersten Strömungswegsabschnitts 76 für
den Gas-Flüssigkeitsstrom zwischen dem Einlass 62 und
dem Spalt 70 und eines zweiten Strömungswegabschnitts 78 für
den Gasstrom zwischen dem Spalt 70 und dem Auslass 64.
Der Strömungsweg weist eine Richtungsänderung 80 in
dem Spalt 70 an der Sammelfläche 74 und eine
Richtungsänderung 82 in dem Strömungswegabschnitt 76 auf.
Jede der Richtungsänderungen 82 und 80 beträgt
90°. Ein Durchgangsfilter 84 in dem Strömungswegabschnitt 78 in
dem Gehäuse stellt einen Back-up-Sicherheitsfilter bereit,
der flüssige Partikel, die von dem Gasstrom nach Abscheidung
an dem Trägheitskollektor 72 mitgerissen wurden,
einfängt. Der Filter 84 erstreckt sich horizontal
entlang einer radialen Spanne relativ zu der vertikalen axialen
Richtung. Die radiale horizontale Spanne des Filters 84 erstreckt
sich über das gesamte Gehäuse und ist senkrecht
zu der Sammelfläche 74 ausgerichtet. Nach der
Richtungsänderung 80 strömt der Gasstrom
axial entlang und parallel zu der Sammelfläche 74 und
strömt dann axial durch den Durchgangsfilter 84 zu
dem Auslass 64. Ein Abfluss 86 in dem Gehäuse leitet
das abgeschiedene Fluid von dem Kollektor 72 aus dem Gehäuse
heraus zurück zu dem Motorkurbelgehäuse 16.
Der Abfluss 86 befindet sich gravitatorisch unterhalb und
auf der dem Durchgangsfilter 84 gegenüberliegenden
Seite des Kollektors 72.
-
5 ist
wie 4 und verwendet, wo angebracht, zum leichteren
Verständnis die gleichen Bezugszahlen. In 5 leitet
ein Abfluss 88 in dem Gehäuse abgeschiedenes Fluid
von dem Kollektor 72 zu dem Einlass 62. Der Abfluss 88 befindet
sich gravitatorisch unterhalb und auf der dem Durchgangsfilters 84 gegenüberliegenden
Seite des Kollektors 72. Ein zweiter Durchgangsfilter 90 in
dem Gehäuse befindet sich gravitatorisch unterhalb und
auf der dem Durchgangsfilter 84 gegenüberliegenden
Seite des Kollektors 72 und filtert das abgeschiedene Fluid
von dem Kollektor 72, das durch den Abfluss 88 abgeleitet wurde,
zu dem Einlass 62. Der Abfluss ist durch mehrere Löcher
oder Durchtritte 88 in der Düsenstruktur 66 realisiert.
-
Die
Durchtritte 88 in 5 sind auch
Bypassdurchtritte, durch die der Gas-Flüssigkeitsstrom 12 zu
dem Spalt 70 strömen kann, ohne durch die Düsen 68 beschleunigt
zu werden. Der Gas-Flüssigkeitsstrom von Einlass 62 weist
folglich einen Hauptströmungsweg durch die Düsen 68 und
beschleunigt durch den Spalt 70 gegen den Kollektor 72 und
einen alternativen Strömungsweg durch die Bypassdurchtritte 88 und
den Filter 90 zu dem Spalt 70 auf. Der Durchgangsfilter 90 in
dem alternativen Strömungsweg fängt und koalesziert
Flüssigkeit in dem Gas-Flüssigkeitsstrom, um die
Flüssigkeit von dem Gasstrom, der dem Auslass 64 zugeführt
wird, zu entfernen. Der Auslass 64 empfängt daher
einen Gasstrom von dem Hauptströmungsweg, wobei Flüssigkeit
durch den Kollektor 72 entfernt wurde, und empfängt
einen Gasstrom von dem alternativen Strömungsweg, wobei
Flüssigkeit durch den Durchgangsfilter 90 entfernt
wurde. Der Einlass 62 befindet sich gravitatorisch unterhalb
des Durchgangsfilters 90. Flüssigkeit, die durch
den Durchgangsfilter 90 von dem Gas-Flüssigkeitsstrom
in dem alternativen Strömungsweg entfernt wurde, fließt
daher durch den Abfluss oder die Bypassdurchtritte 88 zu
dem Einlass 62. Der Durchgangsfilter 90 filtert
auch die Flüssigkeit, die von dem Gas-Flüssigkeitsstrom
in dem Hauptströmungsweg durch den Kollektor 72 entfernt wurde,
und leitet diese Flüssigkeit zurück durch den Abfluss 88 zu
dem Einlass 62.
-
6 zeigt
einen Gas-Flüssigkeits-Trägheitsabscheider 92 zur
Entfernung und Koaleszierung flüssiger Partikel aus einem
Gas-Flüssigkeitsstrom 94. Das Gehäuse 92 weist
einen Einlass 96 zum Empfang des Gas-Flüssigkeitsstroms 94 und
einen Auslass 98 zum Ablassen eines Gasstroms 100 auf.
Eine Düsenstruktur 102 in dem Gehäuse
weist mehrere Düsen 104 auf, die den Gas-Flüssigkeitsstrom
von dem Einlass 96 empfangen und die den Gas-Flüssigkeitsstrom
durch die Düsen beschleunigen. Ein Trägheitskollektor 106 in
dem Gehäuse in dem Weg des beschleunigten Gas-Flüssigkeitsstroms
verursacht einen scharfen Richtungswechsel dieses Stroms, wie bei 108 gezeigt.
Der Kollektor weist eine raue, poröse Sammelfläche 110 auf,
die eine Abscheidung der flüssigen Partikel aus dem Gas-Flüssigkeitsstrom
verursacht. Ein Abfluss 112 in dem Gehäuse leitet
das abgeschiedene Fluid von dem Kollektor zurück zu dem
Kurbelgehäuse 16.
-
Düsen 104 in 6 weisen
eine stromaufwärtige Eintrittsöffnung 114 und
eine stromabwärtige Austrittsöffnung 116 auf.
Die Eintrittsöffnung 114 ist größer
als die Austrittsöffnung 116. Die Düsen
weisen einen sich verjüngenden kegelstumpfförmigen Übergangsabschnitt 118 zwischen
der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung
auf. Der sich verjüngende kegelstumpfförmige Übergangsabschnitt weist
ein stromaufwärtiges Ende 120 mit einem ersten
Durchmesser an der Eintrittsöffnung 114 auf und weist
ein stromabwärtiges Ende 122 mit einem zweiten
Durchmesser, der kleiner ist als der erste Durchmesser, auf. Das
stromabwärtige Ende 122 des sich verjüngenden
kegelstumpfförmigen Übergangsabschnitts 118 ist
durch einen zweiten Übergangsabschnitt 124 mit konstantem
Durchmesser, der gleich dem zweiten Durchmesser ist, von der Austrittsöffnung 116 beabstandet.
-
Bei
einer Ausführungsform ist die Sammelfläche 34, 1 bis 3, 74, 4 und 5, 110, 6,
eine fasrige Sammelfläche, die mehrere Schichten von Fasern
umfasst. Mindestens zwei oder drei Schichten von Fasern sind wünschenswert und
gewährleisten eine verbesserte Leistung. Bei der bevorzugten
Ausführungsform sind mindestens 100 Schichten von Fasern
vorgesehen. Die Fasern weisen einen Durchmesser von mindestens dem
Dreifachen des Durchmessers der abzuscheidenden einzufangenden flüssigen
Partikel auf. In bevorzugter Form liegt der Faserdurchrnesser im
Bereich von 50 bis 500 Mikrometer. Für Ölnebeltröpfchen
im Bereich von 0,3 Mikrometer bis 3 Mikrometer mit einem Durchschnitt
von 1,7 Mikrometer wird die Partikelabscheidungseffizienz auf 85%
Masseneffizienz mit der fasrigen Sammelfläche verbessert,
im Vergleich zu 50% Masseneffizienz bei einer glatten, nicht porösen Sammelfläche.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform ist die Sammelfläche
eine poröse Sammelfläche mit einer Porosität
zwischen 50% und 99,9%. Die durchschnittliche Porengröße
beträgt mindestens das Fünf- bis Zehnfache des
Durchmessers der flüssigen Partikel und vorzugsweise mindestens
25 bis 50 Mikrometer.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform ist die Sammelfläche
eine raue Sammelfläche mit einer Rauigkeit gemessen als
Rautiefe von mindestens dem Zehnfachen des Durchmessers der flüssigen Partikel.
Die Rautiefe wird parallel zu der Richtung des Gas-Flüssigkeitsstroms
von den Düsen zu der Sammelfläche gemessen. Die
Rautiefe beträgt vorzugsweise mindestens 10 Mikrometer.
-
Vorliegende Anmeldung
-
Die
vorliegende Anmeldung stellt einen Gas-Flüssigkeits-Trägheitsabscheider
wie oben zur Entfernung von flüssigen Partikeln aus einem Gas-Flüssigkeitsstrom 12, 1, 94, 6,
zum Beispiel Ölpartikel aus einem Durchblasegasstrom von
dem Kurbelgehäuse 16 eines Verbrennungsmotors 14,
bereit. Bei einer solchen Ausführungsform führt
der Abscheider abgeschiedenes Öl 52 am Abfluss 50, 1, 112, 6,
zum Kurbelgehäuse 16 zurück und führt
abgeschiedene Luft 26, 1, 100, 6,
zum Einlasskrümmer 18 des Motors zurück.
In solchen Anwendungen ist es wünschenswert, Durchblasegas
aus dem Kurbelgehäuse 16 des Motors 14 zu
entlüften. Unbehandelt enthalten diese Gase partikelförmige
Stoffe in Form von Ölnebel und Ruß. Es ist wünschenswert,
die Konzentration dieser Schmutzstoffe zu kontrollieren, besonders
dann, wenn die Durchblasegase in das Lufteinlasssystem des Motors
zurückgeführt werden, z. B. zu dem Einlasskrümmer 18.
Der Durchmesser der Ölnebeltröpfchen ist üblicherweise
kleiner als 5 Mikrometer und infolgedessen sind diese unter Verwendung
von konventionellem fasrigem Filtermaterial schwer zu entfernen,
während gleichzeitig ein niedriger Strömungswiderstand
beibehalten wird, da sich die Medien sammeln und mit Öl
und Schmutzstoffen gesättigt werden. Der Abscheider kann
in geschlossenen Kurbelgehäuseentlüftungssystemen
(CCV-Systemen, CCV – closed crankcase ventilation) und
offenen Kurbelgehäuseentlüftungssystemen (OCV-Systemen, OCV – open
crankcase ventilation), einschließlich in Dieselmotoranwendungen
sowie anderen Gas-Flüssigkeits-Trägheitsimpaktorabscheidern,
verwendet werden.
-
Der
Abscheider enthält ein Gehäuse 20, 1, 92, 6,
mit einem Einlass 22, 96 zum Empfang eines Gas-Flüssigkeitsstroms 12, 1, 94, 6,
und einem Auslass 24, 98 zum Ableiten eines Gasstroms 26, 100.
Eine oder mehrere Düsenventile, die zu beschreiben sind,
sind in dem Gehäuse vorgesehen und ersetzen die Düsen 30 von 1 und 104 von 6 und
empfangen den Gas-Flüssigkeitsstrom 12, 94 aus
dem Einlass 22, 96 und beschleunigen den Gas-Flüssigkeitsstrom
durch das eine oder die mehreren Düsenventile, wie oben.
Ein Trägheitsimpaktorkollektor, wie zum Beispiel 32, 1, 106, 6,
ist wie oben in dem Gehäuse in dem Weg des beschleunigten
Gas Flüssigkeitsstroms vorgesehen und bewirkt eine Flüssigkeitsteilchenabscheidung aus
dem Gas-Flüssigkeitsstrom, alles wie oben. Der Trägheitsimpaktorkollektor
kann, wie oben, mit einer rauen, porösen Sammel- oder Prallfläche
oder einer glatten, nicht porösen Prallfläche
des Impaktors oder anderen Trägheitsimpaktoren, wie gewünscht,
versehen sein. Die mehreren Düsen 30 von 1 und 104 von 6 sind
durch nun zu beschreibende Düsenventile ersetzt worden.
-
Die 7–10 zeigen
ein Düsenventil 150 zum Ersetzen der Düse 30, 1,
oder 104, 6, in dem Gehäuse 20, 92 und
Empfangen des Gas-Flüssigkeitsstroms 12, 94 aus
dem Einlass 22, 96 und Beschleunigen des Gas-Flüssigkeitsstroms dort
hindurch entlang einer axialen Strömungsrichtung 152 von
stromaufwärts nach stromabwärts. Der Trägheitsimpaktorkollektor 32, 106 in
dem Gehäuse befindet sich stromabwärts des Düsenventils 150 in dem
Weg des beschleunigten Gas-Flüssigkeitsstroms und bewirkt
eine Abscheidung der flüssigen Partikel aus dem Gas-Flüssigkeitsstrom,
wie oben. Das Düsenventil 150 weist ein stromaufwärtiges
axiales Eintrittsende 154, das den Gas-Flüssigkeitsstrom 12, 94 von
dem Einlass 22, 96 empfängt, und ein
stromabwärtiges axiales Austrittsende 156, das den
Gas-Flüssigkeitsstrom gegen den Trägheitsimpaktorkollektor 32, 106 ableitet,
auf. Das Düsenventil 150 weist eine Seitenwand 158 auf,
die sich axial stromabwärts des axialen Eintrittsendes 154 zu
dem axialen Austrittsende 156 erstreckt und den Gas-Flüssigkeitsstrom
daran entlang (in 7 aufwärts) führt.
Die Seitenwand 158 und das axiale Austrittsende 156 sind
radial verengbar und aufweitbar, um den Strom zu dem Trägheitsimpaktorkollektor 32, 106 darüber
zu variieren.
-
Die
Seitenwand 158 verjüngt sich entlang einer Konizität,
die sich vorzugsweise entlang einer in die gleiche Richtung wie
die axiale Strömungsrichtung (in den 7, 9 nach
oben) weisenden Richtung verschmälert. Die Seitenwand 158 ist
flexibel und biegt sich zwischen einer verengten Position, 9, 10,
und einer aufgeweiteten Position, 7, 8 durch.
Die Seitenwand biegt sich derart durch, dass der Druckabfall dP
an dem Ventil eine nicht quadratische Funktion einer Durchflussrate
dort hindurch ist, nämlich: dP = C × Durchflussraten wobei C eine Konstante ist und n kleiner
als 2 ist, wobei sich der Druckabfall im Vergleich zu einer quadratischen
Funktion als eine linearere Funktion der Durchflussrate ändert.
Dies steht im Gegensatz zu der Strömungsdrosselung einer
unveränderlichen Öffnung, die eine quadratische
Funktion der Durchflussrate dort hindurch ist, das heißt
der Druckabfall ändert sich als das Quadrat der Durchflussrate,
das heißt der zweiten Potenz der Durchflussrate.
-
Bei
einer Ausführungsform wird die Seitenwand 158, 7–10,
durch mehrere sich überlappende Lamellen 160 bereitgestellt,
die in zunehmender Überlappungsbeziehung zur Definition
einer sich verschmälernden Öffnung 162 dazwischen
radial nach innen schwenken können, 9, 10, und
in abnehmender Überlappungsbeziehung zur Definition einer
sich aufweitenden Öffnung 164 dazwischen radial
nach außen schwenken können, 7, 8.
Die Lamellen weisen angelenkte, stromaufwärtige Enden 166,
die ein axiales Eintrittsende 154 des Düsenventils 150 definieren,
und stromabwärtige Enden 168, die in jeweiligen
Bögen um jeweilige stromaufwärtige Enden 166 schwenken können
und das axiale Austrittsende 156 des Düsenventils 150 definieren,
auf. Die Lamellen 160 sind zum Beispiel durch Zugfedern,
wie zum Beispiel 170, in eine radial nach innen geschwenkte
Position, 9, 10, vorbelastet
und schwenken als Reaktion auf zunehmenden Druck des Gas-Flüssigkeitsstroms 12, 94 gegen
die Vorbelastung der Federn 170 in eine radial nach außen
geschwenkte Position, 7, 8.
-
Das
Düsenventil 150 reagiert auf Druck des Gas-Flüssigkeitsstroms 12, 94.
Bei Gas-Flüssigkeits-Trägheitsimpaktorabscheidern
ist es wünschenswert, eine konstante hohe Strömungsgeschwindigkeit
durch die Düse, wie zum Beispiel 30, 104, 150,
aufrechtzuerhalten, ohne mit zunehmender Strömung zusätzlichen
Gegendruck zu erzeugen, zum Beispiel wenn ein Motor altert, was
wiederum zu einem erhöhten Durchblasegasstrom führt.
Idealerweise sollte der Druckabfall gegenüber Alterung
oder Strömungsgefälle für einen gegebenen
Strömungsbereich null sein oder zumindest flacher oder
linearer als ein quadratisches Gefälle sein. Der Druckabfall variiert
als eine Quadratfunktion von Strömung, das heißt
in der zweiten Potenz. Die Flüssigkeitsabscheidungseffizienz
hängt von der Strömungsgeschwindigkeit durch die
Düsenöffnung und der Aufprallgeschwindigkeit gegen
den Impaktor 32, 106 ab. Die durch das Düsenventil 150 bereitgestellte
variable Düsenöffnungsfläche ermöglicht
eine höhere Strömungs- und Aufprallgeschwindigkeit
ohne einen nachteilig erhöhten Druckabfall und ermöglicht
ein geringeres, flacheres Gefälle des Druckabfalls gegenüber
Alterung oder Strömung. Die Lamellen 160 der Seitenwand 158 werden
durch die Federn 170 zu einer verengten Position, 9, 10,
vorbelastet. Durch Erhöhung des Drucks des Gas-Flüssigkeitsstroms 12, 94 werden
die Lamellen 160 der Seitenwand 158 radial nach
außen bewegt, um den effektiven Durchflussquerschnitt an 164 durch
die Düsenöffnung zu vergrößern
und den Gegendruck zu verkleinern. Der Druckabfall, der dem zunehmenden Strom
entspricht, folgt einem geringeren, flacheren Druckabfallgefälle,
wobei dieses geringere, flachere Druckabfallgefälle eine
höhere Geschwindigkeit bei geringer Strömung und
einen geringeren Druckabfall bei größerer Strömung
ermöglicht, wodurch wiederum die Effizienz erhöht
wird.
-
Das
System ermöglicht eine erhöhte Abscheidungseffizienz
früh im Verlauf der Lebensdauer des Motors, ohne einen
unerwünschten starken Druckabfall später im Verlauf
der Lebensdauer des Motors, darunter des ”End-of-life”-Zustands
des Motors, zu erfahren. Mit Verschleiß eines Motors werden mehr
Durchblasegase erzeugt, und der Trägheitsimpaktor 32, 106 erfährt
eine stärkere Strömung und einen erhöhten
Druck von dem Kurbelgehäuse 16. Sollte dies der
Fall sein, dann fängt der Abscheider eigentlich damit an,
mit einer höheren Effizienz zu arbeiten, hat aber auch
einen größeren Druckabfall. Standardmäßige
Impaktorabscheider müssen so ausgeführt sein,
dass sie diesem End-of-life-Zustand entsprechen, um keinen zu starken
Druckabfall zu erzeugen. Dies bedeutet, dass die Effizienz früh
im Verlauf der Lebensdauer des Motors möglicherweise nicht
optimiert ist. Das Düsenventil 150 stellt einen variablen Öffnungsquerschnitt
bereit, der als Reaktion auf zunehmenden Druck des Gas-Flüssigkeitsstroms 12, 94 größer
wird. Dies ermöglicht Vorteile, darunter erhöhte
Abscheidungseffizienz früh im Verlauf der Lebensdauer des
Motors ohne den Nachteil eines abträglich hohen Druckabfalls
später im Verlauf der Lebensdauer des Motors einschließlich
des End-of-life-Zustands des Motors.
-
Die 11–13 zeigen
eine weitere Ausführungsform. Ein oder mehrere Düsenventile 180 ersetzen
die Düsen 30, 1, 104, 6,
im Gehäuse 20, 92. Das Düsenventil 180 empfängt
den Gas-Flüssigkeitsstrom 12, 94 von
dem Einlass 22, 96 und beschleunigt den Gas-Flüssigkeitsstrom
dort hindurch entlang einer axialen Strömungsrichtung 182 von
stromaufwärts nach stromabwärts. Der Trägheitsimpaktorkollektor 32, 106 in
dem Gehäuse befindet sich stromabwärts des Düsenventils 180 in dem
Weg des beschleunigten Gas-Flüssigkeitsstroms und bewirkt
eine Abscheidung der flüssigen Partikel aus dem Gas-Flüssigkeitsstrom,
wie oben. Das Düsenventil 180 weist ein stromaufwärtiges
axiales Eintrittsende 184, das den Gas-Flüssigkeitsstrom
von dem Einlass 22, 96 empfängt, und
ein stromabwärtiges axiales Austrittsende 186,
das den Gas-Flüssigkeitsstrom gegen den Trägheitsimpaktorkollektor 32, 106 ableitet,
sowie eine Seitenwand 188 auf, die sich axial stromabwärts
des axialen Eintrittsendes 184 zu dem axialen Austrittsende 186 erstreckt
und den Gas-Flüssigkeitsstrom daran entlang führt.
Die Seitenwand 188 und das axiale Austrittsende 186 sind
radial verengbar und aufweitbar, um den Strom zu dem Trägheitsimpaktorkollektor 32, 106 zu variieren.
Bei einer Ausführungsform weist eine Ventilplatte 190 mehrere
Düsenventile 180 auf.
-
Die
Seitenwand 188 verjüngt sich entlang einer Konizität,
die sich entlang einer in die gleiche Richtung wie die axiale Strömungsrichtung 182 weisenden
Richtung verschmälert. Die Seitenwand 188 ist
flexibel und biegt sich zwischen verengten Positionen und aufgeweiteten
Positionen durch. Die Seitenwand biegt sich als Reaktion auf Druck
des Gas-Flüssigkeitsstroms 12, 94 durch.
Die Seitenwand biegt sich derart durch, dass der Druckabfall dP an
dem Ventil 180, wie bei der obigen Gleichung, eine nicht
quadratische Funktion einer Durchflussrate dort hindurch ist, wobei
sich der Druckabfall im Vergleich zu einer quadratischen Funktion
als eine linearere Funktion der Durchflussrate ändert.
-
Bei
der Ausführungsform der 11–13,
ist die Seitenwand 188 entlang sich axial erstreckenden
Nuten oder Falten 192, 13, die
mehrere axiale Strömungskanäle 194 definieren, genutet.
Als Reaktion auf zunehmenden Druck des Gas-Flüssigkeitsstroms 12, 94 weitet
sich die Seitenwand 188 radial auf, und die Nuten entfalten
sich zumindest teilweise, um den Strömungsquerschnitt zu vergrößern.
Die genutete Seitenwand 188 verjüngt sich entlang
einer Konizität, die sich entlang einer in die gleiche
Richtung wie die axiale Strömungsrichtung 182 weisenden
Richtung verschmälert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
besteht die Seitenwand 188 aus verformbarem Gummi. In einer Form
stehen im zusammengezogenen Zustand der Seitenwand 188 die
Strömungskanäle 194 miteinander und mit
einem mittleren Strömungskanal 196 dazwischen
in Verbindung. Bei einer anderen Ausführungsform, 14–16,
weist eine Seitenwand 198 des Düsenventils 200 einen
zusammengezogenen Zustand, 16, mit
Strömungskanälen 202 auf, die durch Abschnitte 204 der
Seitenwand dazwischen gegeneinander abgesperrt sind und von einem durch
die Abschnitte 204 der Seitenwand 198 dort herum
definierten mittleren Strömungskanal 206 abgesperrt
sind. Bei den Ausführungsformen der 11–16 ist
die Seitenwand 188, 198 um ihren ganzen Umfang
genutet. Bei einer anderen Ausführungsform, 17, 18,
ist die Seitenwand 210 des Düsenventils 212 nur
um einen Abschnitt 214 ihres Umfangs genutet und ist über
den Rest 216 ihres Umfangs nicht genutet. 17 zeigt
das Düsenventil 212 in der radial nach innen verengten
Position. 18 zeigt das Düsenventil 212 in
der radial nach außen aufgeweiteten Position, die einen
vergrößerten Strömungsquerschnitt als
Reaktion auf zunehmenden Druck des Gas-Flüssigkeitsstroms 12, 94 bereitstellt.
-
19–22 zeigen
eine weitere Ausführungsform. Das Düsenventil 220 ersetzt
die Düsen 30, 1, und 104, 6,
in dem Gehäuse 20, 92 und empfängt
den Gas-Flüssigkeitsstrom 12, 94 von dem
Einlass 22, 96 und beschleunigt den Gas-Flüssigkeitsstrom
dort hindurch entlang der axialen Strömungsrichtung 222 von
stromaufwärts nach stromabwärts. Der Trägheitsimpaktorkollektor 32, 106 in dem
Gehäuse befindet sich stromabwärts des Düsenventils 220 in
dem Weg des beschleunigten Gas-Flüssigkeitsstroms 12, 94 und
bewirkt eine Abscheidung der flüssigen Partikel aus dem
Gas-Flüssigkeitsstrom, wie oben. Das Düsenventil 220 weist ein
stromaufwärtiges axiales Eintrittsende 224, das den
Gas-Flüssigkeitsstrom 12, 94 von dem
Einlass 22, 96 empfängt, und ein stromabwärtiges
axiales Austrittsende 226, das den Gas-Flüssigkeitsstrom gegen
den Trägheitsimpaktorkollektor 32, 106 ableitet,
sowie eine Seitenwand 228 auf, die sich axial stromabwärts
des axialen Eintrittsendes 224 zu dem axialen Austrittsende 226 erstreckt
und den Gas-Flüssigkeitsstrom daran entlang führt.
Die Seitenwand 228 und das axiale Austrittsende 226 sind radial
verengbar und aufweitbar, um den Strom zu dem Trägheitsimpaktorkollektor 32, 106 zu
variieren.
-
Die
Seitenwand 228 verjüngt sich entlang einer Konizität,
die sich entlang einer in die gleiche Richtung wie die axiale Strömungsrichtung 222 weisenden
Richtung verschmälert. Die Seitenwand 228 ist
flexibel und biegt sich zwischen verengten Positionen und aufgeweiteten
Positionen durch. Die Seitenwand 228 biegt sich als Reaktion
auf Druck des Gas-Flüssigkeitsstroms 12, 94 durch.
Die Seitenwand 228 biegt sich derart durch, dass der Druckabfall
dP an dem Düsenventil 220, wie bei der obigen Gleichung,
eine nicht quadratische Funktion einer Durchflussrate dort hindurch
ist, wobei sich der Druckabfall im Vergleich zu einer quadratischen Funktion,
wie bei 232 gezeigt, als eine linearere Funktion der Durchflussrate ändert,
wie in 22 bei 230 gezeigt.
-
Bei
der Ausführungsform der 19–22 ist
das Düsenventil 220 ein Lippenventil. Das Lippenventil
weist stromabwärtige Lippen 234, 236, 20, 21,
auf, die ein axiales Austrittsende 226 bilden. Die Seitenwand 228 weist
stromabwärtige Seitenwandabschnitte auf, die sich an den
Lippen 234, 236 am axialen Austrittsende 226 an
einem Grenzflächenschlitz 238, 21,
treffen, der sich quer zu der axialen Strömungsrichtung 222 erstreckt.
Die Querrichtung verläuft in die und aus der Seite in 20 und
von oben nach unten in 21. Die axiale Strömungsrichtung 222 verläuft
in 20 nach oben und in 21 aus
der Seite. 22 ist ein Diagramm der Durchflussrate
als Funktion des Druckabfalls und zeigt bei 232 die herkömmliche
quadratische Funktion des Druckabfalls als Funktion der Durchflussrate durch
eine unveränderliche Öffnung. Das Diagramm zeigt
bei 230 das linearere, flachere Gefälle des Druckabfalls
als Funktion der Durchflussrate nach einem anfänglichen Öffnungsdruck 234 für
ein Lippenventil, wie bekannt ist. Mit zunehmender Alterung des Motors,
zum Beispiel mit Verschleiß von Kolbenringen, nimmt die
Durchflussrate entlang der horizontalen Achse zu und verstärkt
sich der Durchblasegasstrom.
-
23 zeigt
eine weitere Ausführungsform. Das durch das Lippenventil 220 bereitgestellte
Düsenventil kann in der Regel aus elastomerem Material
bestehen, das eine für Temperaturänderung empfindliche
Steifigkeit aufweist, wodurch das Durchbiegen und Öffnen
des Ventils von der Temperatur beeinflusst wird. In 23 erstrecken
sich eine oder mehrere Bandfedern, wie zum Beispiel 240,
entlang mindestens einer und vorzugsweise beider Lippen 234 und 236,
und/oder eine oder mehrere Bandfedern, wie 242, erstrecken
sich entlang der Seitenwand 228. Die strukturellen Eigenschaften
der Bandfedern sind vorzugsweise weniger empfindlich für Temperaturänderungen
als das Material des Lippenventils. Vorzugsweise ist die Änderung
der Steifigkeit mit der Temperatur (Elastizitätsmodul)
des Federmaterials geringer als das des Lippenventilmaterials. Zum
Beispiel können die Bandfedern metallisch sein und als
Reaktion auf eine sich ändernde Temperatur weniger Steifigkeits-
und Durchbiegungsänderung erfahren als das elastomere Material
des Lippenventils. Die Bandfedern können während
des Formens des Lippenventils eingeformt werden oder sie können
nach Bildung des Lippenventils damit verbunden werden oder auf irgendeine
geeignete Weise daran befestigt werden. Die eine oder die mehreren
Bandfedern erstrecken sich bei 240 quer zu der axialen Strömungsrichtung 222.
Die eine oder die mehreren Bandfedern erstrecken sich bei 242 entlang
der axialen Strömungsrichtung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
weist das Lippenventil 220 eine Öffnungsdruckreaktion
auf, wobei ein Druckabfall an dem Lippenventil einen vorbestimmten
Schwellwert erreichen muss, bevor sich das Lippenventil öffnet. Dies
gewährleistet eine verbesserte Abscheidungseffizienz bei
sehr geringen Durchblaseströmungsbedingungen, die zum Beispiel
im Leerlauf bei einem nicht verschlissenen Motor angetroffen werden
können.
-
Die 24–33 zeigen
eine weitere Ausführungsform, die eine Ventilplatte 250 mit
mehreren Düsenventilen, wie zum Beispiel 252, 254 usw.
enthält. Die Düsenventile 252, 254 ersetzen
die Düsenventile 30, 1, und 104, 6,
in dem Gehäuse 20, 92 zum Empfang des
Gas-Flüssigkeitsstroms 12, 94 von dem
Einlass 22, 96 und Beschleunigen des Gas-Flüssigkeitsstroms
durch die Düsenventile entlang der axialen Strömungsrichtung 256, 27,
von stromaufwärts nach stromabwärts. Der Trägheitsimpaktorkollektor 32, 106 in
dem Gehäuse befindet sich stromabwärts der Düsenventile 252, 254 in
dem Weg des beschleunigten Gas-Flüssigkeitsstroms 12, 94 und
bewirkt eine Abscheidung der flüssigen Partikel aus dem
Gas-Flüssigkeitsstrom, wie oben. Die Düsenventile
weisen ein stromaufwärtiges axiales Eintrittsende 258, 25,
auf, das den Gas-Flüssigkeitsstrom 12, 94 von
dem Einlass 22, 96 empfängt, und ein
stromabwärtiges axiales Austrittsende 260, das
den Gas-Flüssigkeitsstrom 12, 94 gegen
den Trägheitsimpaktorkollektor 32, 106 ableitet,
sowie eine Seitenwand 262 auf, die sich axial stromabwärts des
axialen Eintrittsendes 258 zu dem axialen Austrittsende 260 erstreckt
und den Gas-Flüssigkeitsstrom daran entlang führt.
Die Seitenwand 262 und das axiale Austrittsende 260 sind
radial verengbar, 25, und aufweitbar, 27,
um den Strom zu dem Trägheitsimpaktorkollektor 32, 106 zu
variieren.
-
Die
Seitenwand 262 verjüngt sich entlang einer Konizität,
die sich entlang einer in die gleiche Richtung wie die axiale Strömungsrichtung 256 weisenden
Richtung verschmälert. Die Seitenwand 262 ist
flexibel und biegt sich zwischen einer verengten Position, 25,
und einer aufgeweiteten Position, 27, durch.
Die Seitenwand 262 biegt sich als Reaktion auf Druck des
Gas-Flüssigkeitsstroms 12, 94 durch.
Die Seitenwand 262 biegt sich derart durch, dass der Druckabfall
dP an dem Düsenventil 252 eine nicht quadratische
Funktion einer Durchflussrate dort hindurch ist, wie bei der obigen
Gleichung, wobei sich der Druckabfall im Vergleich zu einer quadratischen
Funktion als eine linearere Funktion der Durchflussrate ändert,
wie oben erwähnt.
-
Die
mehreren Düsenventile 252, 254 in den 24–33 weisen
jeweils eine Seitenwand, wie zum Beispiel 262, auf, die
sich als Reaktion auf Druck des Gas-Flüssigkeitsstroms 12, 94 zwischen
der verengten und aufgeweiteten Position durchbiegt, so dass sich
die Düsenventile als Reaktion auf zunehmenden Druck des
Gas-Flüssigkeitsstroms aus einem geschlossenen Zustand, 25,
in einen geöffneten Zustand, 27, durchbiegen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform biegt sich eines
der Düsenventile, zum Beispiel 252, bei einem
niedrigeren Druck des Gas-Flüssigkeitsstroms als ein anderes der
Düsenventile, zum Beispiel 254, 26,
in einen geöffneten Zustand, 26, durch,
um ein mehrstufiges Öffnen der Düsenventile als
Reaktion auf zunehmenden Druck des Gas-Flüssigkeitsstroms
bereitzustellen. In einer ersten Stufe öffnet sich ein
erster Satz von Düsenventilen, wie zum Beispiel 252, 26,
bei einem gegebenen niedrigeren Druck, während andere Düsenventile,
zum Beispiel 254, geschlossen bleiben. In einer zweiten
Stufe öffnen sich bei einem höheren Druck auch
die anderen Düsenventile, zum Beispiel 254, 28,
neben dem bereits geöffneten ersten Satz von Düsenventilen 252.
Dies stellt abgestuft sequentiell öffnende Düsenventile
bereit. Der Öffnungsdruck eines jeweiligen Düsenventils
kann gemäß Form und/oder Geometrie und/oder Dicke
seiner jeweiligen Seitenwand 262 gesteuert werden. Als
Alternative dazu kann das Grundmaterial der Düsenventile
geändert werden.
-
Die
Düsenplatte 250 weist die mehreren Düsenventile,
wie zum Beispiel 252, 254 usw., auf, die in paralleler,
nebeneinander liegender Beziehung daran angebracht sind und als
Reaktion auf zunehmenden Druck des Gas-Flüssigkeitsstroms 12, 94 einen abgestuften,
kumulativen, zunehmenden Strom dort hindurch, alle in einer einzigen
Düsenplatte 250, bereitstellen. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform sind die Düsenventile 252, 254 an
der Düsenplatte 250, 29, angespritzt.
Das axiale Eintrittsende 258 jedes der Düsenventile
ist an der Düsenplatte 250 angebracht, und die
jeweilige Seitenwand 262 erstreckt sich axial davon. Bei
einer weiteren Ausführungsform kann die Düsenplatte 250 eine
oder mehrere dauerhaft geöffnete Öffnungen 264 aufweisen, die
den Gas-Flüssigkeitsstrom 12, 94 dort
hindurch ohne ein Düsenventil daran leiten. Dies stellt
eine Anfangsstufe, 30, 31, dar,
in der alle Düsenventile 252, 254 geschlossen
sind und der Gas-Flüssigkeitsstrom nur durch geöffnete Öffnungen 264 strömt,
woran sich die nächste Stufe anschließt, in der
die Düsenventile 252 geöffnet sind, 26,
gefolgt von noch einer weiteren Stufe, in der sich die Düsenventile 254 auch öffnen, 28, 32, 33.
Die jeweiligen Düsenventile öffnen sich bei jeweiligen
vorbestimmten Drücken des Gas-Flüssigkeitsstroms 12, 94.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird auf eine oder mehrere
oder alle geöffneten Öffnungen 264 verzichtet,
oder sie werden durch Düsenventile, wie zum Beispiel 252, 254,
oder dergleichen ersetzt.
-
Das
System stellt einen sich ändernden Düsenquerschnitt
bereit. Mit zunehmendem Strom nimmt der Düsenquerschnitt
zu und mit abnehmenden Strom nimmt der Düsenquerschnitt
ab. Dies ermöglicht eine(n) gleichbleibende(n) Geschwindigkeit und
Druckabfall an der Düse für einen großen
Bereich von volumetrischen Durchflussraten. Mit zunehmender Durchflussrate
durch eine Öffnung erhöhen sich die Fluidgeschwindigkeit
und der Druckabfall. Eine höhere Fluidgeschwindigkeit in
einem Trägheitsimpaktorabscheider in einem Kurbelgehäuseentlüftungssystem
erhöht die Effizienz des Abscheiders, was von Vorteil ist.
Ein höherer Druckabfall an der Impaktorabscheiderdüse
erhöht jedoch den Kurbelgehäusedruck, was Motordichtungen
belasten kann, was von Nachteil ist. Bei Düsen mit fester
Geometrie bedeuten niedrige Durchflussraten geringe Fluidgeschwindigkeiten
und geringe Effizienz (nicht wünschenswert) und einen geringen
Druckabfall (wünschenswert). Hohe Durchflussraten bedeuten
hohe Geschwindigkeiten und hohe Effizienz (wünschenswert)
und einen hohen Druckabfall (nicht wünschenswert). Ein
System, das einen verstellbaren Düsenquerschnitt ermöglicht,
ermöglicht eine große Änderung des Fluidstroms
bei nur geringen Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit
und des Druckabfalls. Dies ermöglicht wiederum eine höhere Effizienz
bei geringen Strömen und einen geringeren Druckabfall bei
großen Strömen, was ansonsten im Widerspruch steht
und einen Kompromiss zwischen ihnen erfordert.
-
Das
System ist wünschenswerterweise an verschiedene Motorgrößen
in Kurbelgehäuseentlüftungssystemen anpassbar
und kann ihnen Rechnung tragen. Wenn ein Kunde ein CCV-System kaufen
möchte, gibt es im Allgemeinen drei Optionen. Die erste
Option besteht darin, einen separat montierten Nachrüstimpaktorabscheider
zu installieren. Eine zweite Option besteht darin, ein Koaleszer-System
zu installieren, das gegebenenfalls maßgefertigt ist. Eine
dritte Option besteht darin, einen Impaktorabscheider speziell für
den bestimmten Motor zu entwickeln. Die Installation eines separat
montierten Impaktorabscheiders ist die leichteste Option, insbesondere,
wenn ein membranbetätigter, variabler Impaktorabscheider
verwendet werden kann, der einer größeren Anzahl
von Motorgrößen Rechnung tragen kann, während
er eine gleichbleibende Effizienz bei verschiedenen Motorlasten
und Pferdestärken aufrechterhält. Eine wünschenswerte
Lösung wird durch Düsenventile bereitgestellt,
die Seitenwände und axiale Austrittsenden aufweisen, die
radial verengbar und aufweitbar sind, um den Strom zu dem Trägheitsimpaktorkollektor
zu variieren.
-
Im
Verlauf der Lebensdauer eines Motors verstärkt sich der
in das Kurbelgehäuseentlüftungssystem eintretende
Strom. Der Impaktorabscheider ist in der Regel so ausgeführt,
dass er die Strömungsbedingungen gegen Ende der Motorlebensdauer
bewältigen kann. Somit ist die Abscheidungseffizienz des
Impaktorabscheiders zu Beginn der Motorlebensdauer aufgrund von
geringeren Geschwindigkeiten durch die Düsen geringer.
Einstellen des Strömungsquerschnitts mit zunehmender oder
abnehmender Strömung ist wünschenswert, um zu
gestatten, dass die Geschwindigkeit relativ konstant bleibt oder
zumindest einem niedrigeren, flacheren Gefälle
230,
22,
in einem Diagramm des Druckabfalls als Funktion der Durchflussrate,
folgt, das der Alterung des Motors entspricht. Die flachere Einengungskurve
oder Kurve des Druckabfalls als Funktion des Durchflusses oder Alterungskurve
liefert eine sich ergebende konstantere Effizienz für den
Impaktorabscheider. Im Falle des erwähnten Gummilippenventils
sind die Lippen
234 und
236 des Ventils anfangs,
das heißt hinter dem Öffnungsdruck
234,
fast geschlossen und gewährleisten einen Hochgeschwindigkeitsstrahl
bei niedrigen Durchflussraten, und dann öffnen sich mit
zunehmender Durchflussrate die Lippen allmählich und halten
die hohe Geschwindigkeit aufrecht. Die verbleibenden Ausführungsformen
funktionieren vorzugsweise vergleichbar durch Verwendung von Düsenventilen
mit variabler Geometrie. Es ist wünschenswert, Kurbelgehäuseentlüftungsimpaktorabscheider
mit unveränderlicher Öffnung, die eine Abscheidungsleistung
aufweisen, die mit verschwindender Durchflussrate schnell abfällt,
zu überwinden. Dies liegt daran, dass die Öffnung
so bemessen sein muss, dass ein gegebener maximaler Druckabfall
in einem Zustand mit maximaler Durchflussrate nicht überschritten
wird. Der Impaktorabscheider verbringt jedoch einen Großteil
seiner Betriebslebensdauer bei geringeren Durchflussraten, was wiederum
den Abscheider mit geringerer Impaktorgeschwindigkeit und geringerer
Effizienz und Abscheidungsleistung bestraft. Dieses Problem wird
durch die Düsenventile mit variabler Geometrie, die die
bzw. das radial verengbare und aufweitbare Düsenseitenwand
und axiale Austrittsende zur Änderung des Stroms zu dem
Trägheitsimpaktorkollektor enthalten, überwunden
oder zumindest verkleinert. Die variablen Geometrien gewährleisten
einfache und effektive Lösungen. Zum Beispiel stellen Lippenventile
eine besonders einfache und kostengünstige variable Düsengeometrie
bereit, die eine größere Strahlaufprallgeschwindigkeit über
die verschiedensten Durchflussraten aufrechterhalten kann und deshalb
eine bessere Aerosolabscheidungseffizienz über einen größeren
Durchflussbereich liefern kann, ohne die maximale Druckabfallgrenze
des Motorkurbelgehäuses bei maximaler Durchblasdurchflussrate zu überschreiten.
Es können mehrere Düsenventile in einer Parallelstromanordnung
mit verschiedenen Durchflussbegrenzungseigenschaften, die durch
verschiedene Abmessungen, Geometrien oder Materialsteifigkeiten
gewährleistet werden, verwendet werden, um die Reaktion
des Druckabfalls als Funktion der Durchflussrate weiter abzustimmen.
Bei einer Lippenventilimplementierung kann es, wenn eine Änderung
der Steifigkeit des elastomeren Ventils mit der Temperatur eine übermäßige Änderung
der Reaktion des Druckabfalls als Funktion der Durchflussbegrenzung
verursacht, dann von Vorteil sein, (über Kleben, Anspritzen,
Anklemmen oder dergleichen) die Bandfedern
240,
242 (zum
Beispiel Blattfedern aus zum Beispiel Metall oder einem anderen
Material) an den Lippenventillippen und/oder -seitenwänden
axial oder quer zu befestigen, um eine verringerte Temperaturempfindlichkeit
zu gewährleisten. Bei einem Lippendüsenventil
kann, falls gewünscht, ein Antipfeifventil verwendet werden,
wie zum Beispiel in der
US-PS
5 301 707 gezeigt, auf die hiermit Bezug genommen wird.
Dies kann auf das Flattern unter bestimmten Strömungsbedingungen,
das dynamische Instabilität, oftmals auch als Pfeifen bezeichnet,
erzeugt, eingehen.
-
Bei
einer Ausführungsform stellt das System eine variable Impaktortechnologie
bereit, die verstärktes Kurbelgehäuseentlüftungsdurchblasegas, das
von Verschleiß im Verlauf der Lebensdauer des Motors stammt,
ausgleicht, indem es gestattet, dass der Durchblasegasstrom auf
sequentiell abgestufte Weise in zusätzliche Düsen
eintritt. Das System ist besonders kompakt und ermöglicht
einen variablen Düsenöffnungsquerschnitt, ohne
dass zusätzlicher Platz oder Raum im Motorraum verbraucht
wird. Die einstückige Düsenplatte stellt mehrere
variable Düsen bereit, wodurch Teilegehalt, Raum und Kosten reduziert
werden und dabei die Leistung verbessert wird. Die integrierte einstückige
Ausführung reduziert die Anzahl von Komponenten und senkt
nicht nur die Kosten, sondern ermöglicht auch einen kleineren
Packungsraum. Jede Düse kann individuell ausgeführt werden,
um zum Beispiel eine variable Anordnung von Düsenventilen
auf beschränktem Raum, die sich bei verschiedenen Durchflussraten öffnen,
bereitzustellen. Zum Beispiel zeigen die 24–33 eine einstückige,
dreistufige variable Düsenplatte, bei der die Düsen
aus TPE oder Silikon bestehen. Jede Düse oder Gruppe von
Düsen kann so ausgeführt sein, dass bei gegebenen
Drücken ein abgestuftes oder vorbestimmtes Öffnungssequenzmuster
ermöglicht wird. Der zum Öffnen einer Düse
erforderliche Druck kann durch Einstellen der Form und/oder Geometrie
und/oder Dicke und/oder des Materials der jeweiligen Düse
gesteuert werden. Die Ausführung verkleinert die Anzahl
von Komponenten und den für einen variablen Gas-Flüssigkeits-Trägheitsabscheider
erforderlichen Raum, während gleichzeitig durch Hinzufügen
einer erhöhten Anzahl von variablen Stufen, die sich während
der Lebensdauer des Motors öffnen, eine verbesserte Leistung
ermöglicht wird. Zum Beispiel zeigt 24 eine
Stufe für einen frühen Zeitpunkt im Verlauf der
Lebensdauer, wobei nur die dauerhaft geöffneten Öffnungen 264 Durchblasegas dort
hindurch zu dem Trägheitsimpaktorkollektor 32, 106 leiten. 26 zeigt
eine Stufe in der Mitte der Lebensdauer, wenn sich die volumetrische
Durchblasegasdurchflussrate erhöht und die Düsen 252 für
die Mitte der Lebensdauer öffnen und Durchblasegas dort
hindurch leiten, neben dem durch die dauerhaft geöffneten Öffnungen 264 strömenden
Durchblasegas. 28 zeigt eine End-of-life-Stufe,
wenn sich die volumetrische Durchblasegasdurchflussrate erhöht
und die End-of-life-Düsen 254 öffnen
und Durchblasegas dort hindurch leiten, neben dem Durchblasegasstrom
durch die Düsen 252 für die Mitte der
Lebensdauer und die dauerhaft geöffneten Öffnungen 264.
-
In
der vorhergehenden Beschreibung sind bestimmte Begriffe der Kürze,
der Deutlichkeit und dem Verständnis halber verwendet worden.
Es sollen damit über das Erfordernis des Stands der Technik hinaus
keine unnötigen Einschränkungen impliziert werden,
da solche Begriffe für Veranschaulichungszwecke verwendet
werden und allgemein ausgelegt werden sollen. Die verschiedenen
Konfigurationen, Systeme und Verfahrensschritte, die hier beschrieben
werden, können allein oder in Kombination mit anderen Konfigurationen,
Systemen und Verfahrensschritten verwendet werden. Es ist zu erwarten,
dass verschiedene Äquivalente, Alternativen und Modifikationen
innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Ansprüche
möglich sind.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
-
Ein
Gas-Flüssigkeits-Trägheitsabscheider weist ein
oder mehrere Düsenventile mit einer Seitenwand und einem
stromabwärtigen Austrittsende, die bzw. das radial verengbar
und aufweitbar sind, um einen axialen Strom des Gas-Flüssigkeitsstroms dort
hindurch zu einem Trägheitsimpaktorkollektor zu variieren.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6290738 [0002, 0004, 0038]
- - US 5301707 [0074]