DE60028050T2

DE60028050T2 - Öltrennvorrichtung für kleine partikel

Info

Publication number: DE60028050T2
Application number: DE60028050T
Authority: DE
Inventors: Olof Nils HAKANSSON; Per Persson
Original assignee: Volvo Lastvagnar AB
Current assignee: Volvo Truck Corp
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2020-07-01
Also published as: DE60028050D1; AU6040400A; SE516944C2; WO2001000969A1; SE9902490D0; US6709477B1; EP1208291B1; EP1208291A1; SE9902490L

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Trennen eines Flüssigkeitstropfens aus einem strömenden Gas, das Flüssigkeitsnebel enthält, umfassend einen ersten Behälter, der durch eine zylindrische Seitenwand und zwei gegenüberliegende Endwände gebildet ist, wobei der erste Behälter einen Einlass in einer Endwand für das Gas/den Nebel, einen ersten Auslass in seiner anderen Endwand für das Gas und einen zweiten Auslass an oder in der Nähe der zweiten Endwand für aus dem Gas getrennte Flüssigkeit besitzt, einen zweiten Behälter mit Mitteln zum drehbaren Montieren des ersten Behälters in dem zweiten Behälter rotationssymmetrisch in Bezug auf den ersten Einlass und den ersten Auslass, und Antriebsmittel zur Rotation des ersten Behälters in dem zweiten Behälter.
Es ist eine bekannte Tatsache, dass es nicht möglich ist, Kolbenringdichtungen zwischen den Kolben und den umgebenden Zylinderwänden der Zylinder in einem Verbrennungsmotor zu erzielen, welche die Brennkammern zu 100 gegenüber dem Motorkurbelgehäuse abdichten. Eine bestimmte kleine Menge von Verbrennungsgasen, die hier als Blow-by-Gas bezeichnet werden, strömt somit stets über die Kolbenringe und nach unten in das Motorkurbelgehäuse. Um einen übermäßigen, durch das Blow-by-Gas in dem Kurbelgehäuse verursachten Druck zu verhindern, muss das Kurbelgehäuse belüftet sein und das abgezogene Gas nur einen geringen Überdruck in dem Kurbelgehäuse belassen.
Zwei Arten von Kurbelgehäusebelüftung werden verwendet, d.h. entweder eine offene oder eine geschlossene Belüftung. Ein Motor mit einer offenen Belüftung kann ziemlich einfach ein nach unten gerichtetes Rohr, das beispielsweise mit der Ventilabdeckung verbunden ist und das sich in die umgebende Atmosphäre öffnet, besitzen. In einem Motor mit einer geschlossenen Kurbelgehäusebelüftung werden die Blow-by-Gase von dem Kurbelgehäuse zu der Motoreinlassleitung geleitet und mit der Einlassluft gemischt.
Wenn Blow-by-Gase evakuiert werden, war es bisher unvermeidbar, dass eine bestimmte Menge von Ölnebel diese begleiten wird. Die Menge des mit dem Gas getragenen Öls hängt von der Platzierung des Belüftungsauslasses und jeglichen Filtern oder Ölfallen in der Kurbelgehäusebelüftung ab. Ungeachtet dessen, ob der Motor eine offene oder geschlossene Kurbelgehäusebelüftung besitzt, ist es wünschenswert, die Menge von Öl in dem evakuierten Blow-by-Gas minimal zu halten. Im ersten Falle dient dies zum Minimieren der Wirkung auf die Umwelt und zum Halten des Ölverbrauchs auf einem niedrigen Niveau. In dem zweiten Falle dient dies zum Verhindern von Ölablagerungen an oder in den Bauteilen des Motoreinlasssystems, beispielsweise Ölablagerungen an den Laufradschaufeln des Kompressors eines turbogeladenen Motors oder Ölablagerungen in dem Ladeluftkühler in Motoren mit Ladeluftkühlung.
Eine Anzahl unterschiedlicher Vorrichtungen zum Trennen von Öl aus Blow-by-Gasen von Verbrennungsmotoren ist bekannt. Von diesen sind verschiedene Arten von Kissen- oder Schirmsystemen, Metalldraht- oder Textilfaserfiltern sowie Zyklonen und Zentrifugen. Mit Hilfe von Kissen- und Schirmsystemen war es bisher möglich, Öltropfen bis zu einem Durchmesser von 10 μm, mit Metalldrahtfiltern und Zyklonen bis zu etwa 1,5 μm und mit mehrlagigen Textilfaserfiltern, beispielsweise Fliesfiltern, bis zu etwa 0,4 μm zu trennen. Kissen- und Schirmsysteme besitzen im Prinzip eine unbegrenzte Lebensdauer und erzeugen keine Druckverluste, stellen jedoch keine ausreichende effektive Öltrennung bereit, da etwa 80% der Ölmasse in dem Ölnebel in den Blow-by-Gasen aus Öltropfen mit einem Durchmesser besteht, der geringer ist als 1,5 μm. Vorbekannte Metalldrahtfilter und Zyklonen sind daher zum Erzielen einer effektiven Öltrennung ebenfalls nicht ausreichend, trotz der Tatsache, dass sie annehmbare Lebensdauern besitzen und begrenzte Druckverluste bewirken. Mehrlagige Fliesfilter verbleiben, jedoch besitzen diese begrenzte Lebensdauern und müssten daher oftmals ersetzt werden, was zu hohen Kosten führt. Sie erzeugen ebenso signifikante Druckverluste.
WO 97 44117 A1 und/oder EP-A-0 286 1601 offenbaren eine Vorrichtung zum Trennen kleiner Flüssigkeitstropfen aus einem strömenden Gas, das Flüssigkeitsnebel enthält, umfassend einen ersten Behälter, der durch eine zylindrische Seitenwand und zwei gegenüberliegende Endwände gebildet ist, wobei der erste Behälter einen Einlass in einer Endwand für das Gas/den Nebel, einen ersten Auslass in seiner anderen Endwand für das Gas und einen zweiten Auslass an oder in der Nähe der zweiten Endwand für aus dem Gas getrennte Flüssigkeit besitzt, einen zweiten Behälter mit Mitteln zum drehbaren Montieren des ersten Behälters in dem zweiten Behälter rotationssymmetrisch in Bezug auf den Einlass und den ersten Auslass, und ein Antriebsmittel zum Rotieren des ersten Behälters in dem zweiten Behälter, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass und die Auslässe miteinander über eine Mehrzahl von Lagen von in Umfangsrichtung beabstandeten, schmalen Kanälen kommunizieren, die sich in der Richtung der Rotationsachse erstrecken und unter einem radialen Abstand von der Rotationsachse vorgesehen sind, wobei die schmalen Kanäle eine radiale Abmessung besitzen, die auf ihre Länge, ihren radialen Abstand zu der Rotationsachse, die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und die Rotationsgeschwindigkeit abgestimmt ist, so dass zumindest der Hauptanteil der Flüssigkeitstropfen in dem Nebel Zeit haben wird, um sich an den Kanalwänden abzulagern, bevor sie den Auslass erreichen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, d.h. einen Trenner vom Zentrifugaltyp, der insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, zum Trennen von Ölnebeltropfen aus Blow-by-Gasen von Verbrennungsmotoren vorgesehen ist und der Flüssigkeitstropfen von weniger als 1 μm trennen kann, ohne beispielsweise den Nachteil eines mehrlagigen Fliesfilters zu besitzen.
Dies wird gemäß der Erfindung mittels der Merkmale gemäß Anspruch 1 erzielt.
Durchgeführte Tests haben gezeigt, dass bei einer bevorzugten Ausführungsform, die insbesondere zum Trennen von Ölnebel aus Blow-by-Gasen entworfen ist, mit einer geeigneten Auswahl der oben genannten Parameter mehr als 90% des Ölsnebels in den Gasen herausgetrennt wurde. Die Gasgeschwindigkeit, der Abstand, welchen die Öltropfen radial nach außen zum Auftreffen auf die Kanalwand besitzen müssen, und die Radialbeschleunigung bestimmen in diesem Falle die erforderliche Verweildauer für die Tropfen in den Kanälen. Diese Verweildauer bestimmt wiederum die erforderliche Kanallänge. Es wurde gezeigt, dass der Durchmesser (kreisförmiger Kanäle) 1 mm nicht überschreiten sollte, sondern bevorzugt geringer sein sollte als 1 mm, damit der Trenner sinnvolle Abmessungen und eine sinnvolle Drehzahl besitzt.
Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher unter Bezugnahme auf in den begleitenden Zeichnungen gezeigte Beispiele beschrieben, wobei 1 eine schematische Darstellung einer Motoranordnung mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt, 2 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, und 3 ist ein vergrößerter Querschnitt entlang der Linie III-III in 2.
1 in 1 bezeichnet den Motorblock eines Sechszylinderviertaktdieselmotors, und 2 bezeichnet ein Getriebe mit Kupplung, das mit der Motorkurbelwelle gekoppelt ist. Der Motor ist durch einen Turbokompressor 3 aufgeladen, der eine Turbine 4 besitzt, welcher mit dem Motorabgaskrümmer 5 gekoppelt ist, und einen Kompressor 6 besitzt, der mit dem Einlasskrümmer 7 über einen Ladelüftkühler 8 verbunden ist. Die Saugseite des Kompressors 6 ist über eine Einlassleitung 9 mit einem Luftfilter 10 verbunden.
In dem Kurbelgehäuse des Motors 1 sind ein Schirmtrenner 11 und ein Kissentrenner (Baffletrenner) 12 angeordnet, die an sich bekannt und hier nur schematisch gezeigt sind. Eine Leitung 13 mit einem Druckregelventil 14 und einem Drucksensor 15 verbindet das Motorkurbelgehäuse mit der Einlassleitung 9 über einen Ölnebeltrenner 16 gemäß der Erfindung, der in 2 ausführlicher gezeigt ist.
Der Trenner 16 umfasst einen inneren Behälter 17, der durch einen Zylinder 18 und zwei Endwände 19 und 20 gebildet ist, die jeweils eine zentrale Öffnung besitzen, in welcher eine rohrförmige Welle 21 bzw. 22 befestigt ist. Der innere Kanal 23 der rohrförmigen Welle 21 bildet einen Einlass für Verbrennungsgase und Ölnebel, während der Kanal 24 der rohrförmigen Welle 22 einen Auslass für Abgas bildet. In Umfangsrichtung beabstandete Öffnungen 25 in dem Zylinder 18 bilden Auslässe für herausgetrenntes Öl. Die rohrförmigen Wellen 21, 22 sind in Lagern 26, 27 eines stationären äußeren Behälters 28 montiert, der einen unteren Abschnitt 29 besitzt, welcher ein Turbinengehäuse bildet. Die untere rohrförmige Welle 21 erstreckt sich durch das Turbinengehäuse 29 und trägt einen Turbinenrotor 30. Das Gehäuse 29 besitzt einen Einlass 31 und einen Auslass 32 für Öl von dem Motorschmiersystem. Wenn der Motor in Betrieb ist und das Schmiermittel durch das Gehäuse 29 gepumpt wird, treibt der Turbinenrotor 30 die Welle 21 an, so dass der innere Behälter 17 in dem äußeren Behälter 28 rotiert.
Ein zylindrisches Paket 33, das aus einer Mehrzahl von Lager axialer Kanäle 34 besteht, ist an der seitlichen Wand 18 des inneren Behälters 17 befestigt. Es ist ebenso möglich, die zylindrische Seitenwand 18 in die in das Kanalpaket 34 zu integrieren. Die Kanäle 34 sind an ihren Enden offen und kommunizieren mit radialen Durchgängen 35, 36, die zwischen der jeweiligen Endwand 19, 20 definiert sind, einem Paar konischer Wandelemente 37, 38 und dazwischen liegenden, radial ausgerichteten, in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandeten Zwischenwänden 39. Ein vergrößerter Abschnitt eines Kanalpakets 33 mit 10 Lagen ist im Querschnitt in 3 gezeigt. Die Kanäle 34 sind stark vergrößert. In realistischen Tests mit einem inneren Behälter mit einer Kanallänge von etwa 200 mm, einem Innenbehälterradius von etwa 100 mm und einer Drehzahl von etwa 3000 U/min sollte die radiale Abmessung „r" der Kanäle etwas geringer sein als 1 mm, damit es ausreichend Zeit für die kleinsten Öltropfen gibt, auf die Kanalwände zu treffen, bevor die Gase aus den Kanälen und in die Auslassdurchgänge 36 geströmt sind.
In dem in 3 gezeigten Beispiel sind die Kanäle 34 in dem Kanalpaket 33 aus alternierenden, glatten und gefalteten Metallblechzylindern 40 bzw. 41 gebildet, d.h. entsprechend der Konstruktion von Wellpappe. Das Kanalpaket kann ebenso einen festen Körper besitzen, beispielsweise einen Keramikkörper mit gebohrten oder gegossenen zylindrischen Kanälen. Das radiale Ausmaß des Kanalpakets beträgt näherungsweise 20% des Radius des ersten Behälters. Falls der Prozentsatz größer ist, besteht die Gefahr, dass die radial innersten Kanäle so nahe an der Rotationsachse sind, dass die Zentrifugalkraft auf die kleinsten Tropfen zu klein sein wird, um diese aus der Kanalwand heraus zu beschleunigen.
Das Öl, das durch die Verbrennungsgase durch die Kanäle 34 und unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft bei einer Rotation des inneren Behälters transportiert wird, trifft auf die Kanalwände, wird durch die Öffnungen 25 ausgestoßen, wie durch die durchgezogenen Pfeile angegeben, und läuft nach unten in den Raum zwischen den Behältern zu einem Auslass 42. Von dort wird das Öl zurück zu dem Motorkurbelgehäuse geleitet. Die Verbrennungsgase, die frei von Ölnebel sind, strömen durch die obere rohrförmige Welle 22 aus, wie durch den gestrichelten Pfeil angegeben.

Claims

Vorrichtung zum Trennen kleiner Flüssigkeitstropfen aus einem strömenden Gas, das Flüssigkeitsnebel enthält, umfassend einen ersten Behälter (17), der durch eine zylindrische Seitenwand (18) und zwei gegenüberliegende Endwände (19, 20) gebildet ist, wobei der erste Behälter einen Einlass (23) in einer Endwand für das Gas/den Nebel, einen ersten Auslass (24) in seiner anderen Endwand für das Gas und einen zweiten Auslass (25) an der zweiten Endwand oder in der Nähe derselben für aus dem Gas getrennte Flüssigkeit besitzt, einen zweiten Behälter (28) mit Mitteln (26, 27) zum drehbaren Montieren des ersten Behälters in dem zweiten Behälter rotationssymmetrisch in Bezug auf den ersten Einlass und den ersten Auslass, und Antriebsmittel (30) zur Rotation des ersten Behälters in dem zweiten Behälter, wobei der Einlass (23) und die Auslässe (24, 25) miteinander über eine Mehrzahl von Lagen in Umfangsrichtung beabstandeter, schmaler Kanäle (34), die sich in der Richtung der Rotationsachse erstrecken und in einem radialen Abstand von der Rotationsachse vorgesehen sind, kommunizieren, wobei die schmalen Kanäle eine radiale Abmessung (r) besitzen, die auf ihre Länge, ihren radialen Abstand zu der Rotationsachse, die Strömungsgeschwindigkeit des Gases und die Rotationsgeschwindigkeit abgestimmt ist, sodass zumindest der Hauptanteil der Flüssigkeitstropfen in dem Nebel Zeit haben wird, um an den Kanalwänden abgelagert zu werden, bevor sie den Auslass erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (23) eine Einlassöffnung besitzt, die konzentrisch zu der Rotationsachse des ersten Behälters platziert ist, wobei die Einlassöffnung zu einer Mehrzahl von radialen Einlassdurchgängen (35) führt, die heraus zu Einlässen der Kanäle (34) führen, und dass die Kanäle Auslässe besitzen, die sich erstens in eine Mehrzahl radialer Auslassdurchgänge (36), durch welche das Gas in eine radial zu der Rotationsachse platzierte Auslassöffnung (24) strömen kann, und zweitens in eine Mehrzahl von Auslassöffnungen (25), durch welche unter der Wirkung der Zentrifugalkraft an den Wänden der Kanäle abgelagerte Flüssigkeit radial nach außen zu einem Raum zwischen dem ersten Behälter und dem zweiten Behälter strömen kann, öffnen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (17, 28) zu der Rotationsachse vertikal ausgerichtet sind, sodass die getrennte Flüssigkeit durch die Schwerkraft zu dem Einlassende und hinaus durch einen Flüssigkeitsauslass (42) von einem zweiten Behälter (28) strömen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Endwände (2) axial beabstandete Wände (19, 37 bzw. 20, 38) besitzen, die zusammen mit dazwischen liegenden, radial ausgerichteten Wandabschnitten (39) die Durchgänge (35, 36) definieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmittel durch eine Flüssigkeitsturbine (30) gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Endwände (19, 20) mit rotierbar angebauten Hohlwellen (21, 22) verbunden sind, deren innere Einlass- bzw. Auslasskanäle (23 bzw. 24) bildet, und dass ein Turbinenrad (30) an einer der Wellen befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausmaß der Kanallagen radial etwa 20% des Radius des ersten Behälters (17) beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (23) des ersten Behälters (17) mit einer Belüftungsleitung von einem Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors (1) verbunden ist, und sein Auslass (24) ist mit einer Einlassluftleitung zu dem Motor verbunden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius des ersten Behälters (17) etwa 100 mm und seine Länge etwa 200 mm beträgt, dass er Behälter dazu ausgelegt ist, mit einer Drehzahl von etwa 3.000 U/min angetrieben zu werden, und dass die Radialabmessung (r) des Kanals (34) geringer ist als 1 mm, und dass die äußere Kanallage bei einem maximalen Radialabstand von der Rotationsachse gelegen ist.